Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter May 26, 2013

The effect of the crack/bondline seperation distance on the stress intensity factor for the opening mode

A three-dimensional finite element analysis and experimental work

Die Auswirkungen des Abstands zwischen Riss und der Verbindungslinie auf den Spannungsintensitätsfaktor des Rissöffnungsmodus I — Eine dreidimensionale Finite Elemente Analyse und Experimentelle Arbeiten
Hassan S. M. Hedia
From the journal Materials Testing


Experimental work and a three dimensional FEA were carried out to study the effect of the crack/bondline separation distance on the stress intensity factor (SIF) of crack opening mode I for complete homogeneous, bonded similar and bonded dissimilar materials. The local SIF (KI) has numerically been evaluated using the Ansys package program. A three-dimensional finite element analysis (FEA) model has been developed for specimens made of different homogeneous materials such as plexiglas bonded to similar material (plexiglas) with epoxy as a filler material and bonding of dissimilar materials such as plexiglas and white iron with epoxy. The number of elements along the crack front and crack tip has been considered and has been changed to determine the effects on the value of the stress intensity factors. The results for the stress intensity factors KI have been obtained using a linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach. A good agreement regarding the behavior of SIF has been observed between the FEA and the fracture toughness experiments. The results indicate that the SIF increases as the crack/bondline separation distance increases. However, the experiments showed that the fracture toughness decreases as the crack/bondline separation distance increases.


Versuche und dreidimensionale FEA wurden durchgeführt, um die Auswirkungen des Abstandes zwischen einem Riss und der Verbindungslinie auf den Spannungsintensitätsfaktor (SIF) bei Vorliegen des Rissöffnungsmodus I für gänzlich homogene, verbundene gleiche und ungleiche Werkstoffe zu untersuchen. Die numerische Berechnung des lokalen SIF (KI) wurde mittels des Programms Ansys durchgeführt. Hierzu wurde ein dreidimensionales Modell für Proben aus verschiedenen homogenen Werkstoffen (Plexiglas) erstellt, die mit gleichem Material (ebenfalls Plexiglas) oder verschiedenem Material, wie zum Beispiel Plexiglas und weißer Stahl, jeweils mit Epoxy verbunden wurden. Die Zahl der Elemente entlang der Rissfront and der Rissspitze wurde während der Analysen variiert, um die Auswirkungen auf die Höhe der SIF-Werte zu untersuchen. Es wurde ein Ansatz der Linear-Elastischen Bruchmechanik zur Bestimmung des SIF KI gewählt. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den numerisch berechneten und experimentell ermittelten Werten festgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass der SIF mit zunehmendem Abstand zwischen Riss und Verbindungslinie steigt, wenngleich in den experimentellen Arbeiten festgestellt wurde, dass die Bruchzähigkeit mit wachsendem Abstand abnimmt.

Prof. Dr. Hassan S. M. Hedia, born in 1959, studied from 1981 to 1989 Mechanical Engineering at the Cairo University and Production Engineering at the Mansoura University. He is presently working as an assistant professor in the Production Engineering and Mechanical Design Department at the Faculty of Engineering of the Mansoura University. His research activities cover the fields of stress analysis, fracture mechanics, and materials testing.


1 Sih, G. C.: Handbook of Stress Intensity Factors, Institute of Fracture and Solid Mechanics, Lehigh University (1973)Search in Google Scholar

2 Rooke, D. P.; Cartwright, D. I.: Compendium of Stress Intensity Factors, Her Majesty's Stationery Office, London (1976)Search in Google Scholar

3 Murakami, Y. (Ed.): Stress Intensity Factor Handbook, Committee on Fracture Mechanics, Pergamon (1987)Search in Google Scholar

4 Finlayson, F. E.: Stress Intensity Factor Distributions in Bimaterial Systems - A Three-Dimensional Photoelastic Investigation, Thesis (1998)Search in Google Scholar

5 Penado, F. E.: Determination of Stress Intensity Factors in Cracked Bonded loints, Proceedings of the 13th ASC Annual Technical Conference on Composite Materials, Baltimore, MD (1998)Search in Google Scholar

6 Hedia, H. S. M.; Shabara, M. A. N.: Effect of Notch Tip Sharpness and Pre-crack on the Stress Intensity Factor - Finite element Analyses of Compact Tension Specimens -Part I, Materialprüfung44 (2002), No. 4, pp. 117121Search in Google Scholar

7 Hedia, H. S. M.; Fattah, A. A.: Effect of Notch Tip Sharpness and Pre-crack on the Stress Intensity Factor - Investigation of the Shear Loading Mode - Part II, Materialprüfung, 44 (2002), No. 4, pp. 122125Search in Google Scholar

8 Liu, L.; Kardomateas, G. A.; Holmes, I. W.: Mixed-mode stress intensity factors for a crack in an anisotropic bimaterial strip, International lournal of Solids and Structures, 41 (2004), pp. 30953107Search in Google Scholar

9 ANSYS User's Manual, Version 5.0 A (1992)Search in Google Scholar

10 Idonije, K.; Motuku, M.; Shehata, I.; Aglan, H.: Evaluation of Stress Intensity Factor of Brittle Polymers Based on the Crack Arrest Concept, lournal of reinforced plastics and composites12 (1993)Search in Google Scholar

Published Online: 2013-05-26
Published in Print: 2006-11-01

© 2006, Carl Hanser Verlag, München