The crack tip mechanics of strain gradient plasticity solids is investigated analytically and numerically. A first-order mechanism-based strain gradient (MSG) plasticity theory based on Taylor's dislocation model is adopted and implemented in the commercial finite element package ANSYS by means of a user subroutine. Two boundary value problems are considered, a single edge tension specimen and a biaxially loaded plate. First, crack tip fields are characterized. Strain gradient effects associated with dislocation hardening mechanisms elevate crack tip stresses relative to conventional plasticity. A parametric study is conducted and differences with conventional plasticity predictions are quantified. Moreover, the asymptotic nature of the crack tip solution is investigated. The numerical results reveal that the singularity order predicted by the first-order MSG theory is equal or higher to that of linear elastic solids. Also, the crack tip field appears not to have a separable solution. Moreover, contrarily to what has been shown in the higher order version of MSG plasticity, the singularity order exhibits sensitivity to the plastic material properties. Secondly, analytical and numerical approaches are employed to formulate novel amplitude factors for strain gradient plasticity. A generalized J-integral is derived and used to characterize a nonlinear amplitude factor. A closed-form equation for the analytical stress intensity factor is obtained. Amplitude factors are also derived by decomposing the numerical solution for the crack tip stress field. Nonlinear amplitude factor solutions are determined across a wide range of values for the material length scale l and the strain hardening exponent N. The domains of strain gradient relevance are identified, setting the basis for the application of first-order MSG plasticity for fracture and damage assessment.


翻译:以分析方式和数字方式对梯度易塑性固态的变异性进行诊断性调查。根据泰勒的变异模型,在商业限值元素包ANSYSS中采用和采用基于泰勒变异性模型的第一阶机制梯度变异性易塑性变异性(MSG)塑料理论。考虑的是两个边界值问题,即单一边缘紧张试样和偏轴加载板。首先,裂变场具有特征。与变异变硬性机制相关的斯特兰性变异性变异性效应比常规塑料性变异性增加裂变性压力。进行了参数研究,对传统变异性变异性变异性变异性预测进行了量化。此外,还调查了裂变质极极极极性变异性变异性变异性变异性变异性解决方案的失常性性性值。 用于形成新变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性的变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性变异性。

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