De meeste constructies en materialen hebben gebreken, en als de omstandigheden goed zijn, deze defecten kunnen leiden tot het ontstaan ​​en de verspreiding van scheuren. Uitzoeken waar en met welke oriëntatie een oppervlaktescheur het meest waarschijnlijk zal ontstaan, is een cruciaal onderdeel van het analyseren en ontwerpen van een structuur. Een belangrijke grootheid die bij dit type analyse moet worden berekend, is de energieafgiftesnelheid, dat is de energie die beschikbaar is voor scheurvoortplanting. De energieafgiftesnelheid wordt vergeleken met de breuktaaiheid, een materiaaleigenschap die de energie beschrijft die nodig is voor een scheur om zich voort te planten.

Het berekenen van de energieafgiftesnelheid voor de oneindige potentiële locaties en oriëntaties van een oppervlaktescheur in een 3D-structuur met behulp van conventionele methoden is een uitputtende taak omdat voor elke scheurlocatie en -oriëntatie een gedetailleerde analyse moet worden uitgevoerd. Een nieuwe methode ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign kan de locatie en richting van een kritieke scheur in een structuur bepalen met een enkele analyse.

"Deze nieuwe methode stelt ons in staat om de analyse enorm te vereenvoudigen, omdat in plaats van een analyse te moeten doen voor elke mogelijke locatie van een scheur langs het oppervlak van een bepaalde structuur, we voeren een enkele analyse uit van het niet-gekraakte domein, wat veel goedkoper en sneller op te lossen is. Dit vermindert de hoeveelheid rekenwerk met ordes van grootte, zei Philippe Geubelle, een professor bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek.

Om een ​​nauwkeurige schatting te krijgen van de energieafgiftesnelheid, de huidige methode vereist een numerieke analyse met een zeer fijn raster om de structuur te discretiseren, vooral in de buurt van de scheur. Geubelle zei dat deze nieuwe methode topologische derivaten gebruikt om een ​​schatting te krijgen van wat de energieafgifte zou zijn als er een scheur zou verschijnen op elke locatie en met deze oriëntatie langs het oppervlak van een 3D-structuur.

"Door deze techniek te gebruiken, we kunnen onmiddellijk de locatie en oriëntatie bepalen die overeenkomt met de hoogste energieafgiftesnelheid, wat de hoogste energie betekent die beschikbaar is voor scheurvoortplanting. Als de energieafgiftesnelheid kleiner is dan de breuktaaiheid, de scheur zal zich niet voortplanten. Echter, als de energieafgifte de waarde van de breuktaaiheid nadert, dan heeft de structuur een herontwerp nodig."

De nieuwe methode kan worden gecombineerd met commerciële eindige-elementensoftwarepakketten zoals Ansys, Abaqus, en Nastran.

"Wat deze methode ons in staat stelt, is te zeggen:'geef me een ingewikkelde vorm en complexe beladingstoestanden, en we zullen je de meest waarschijnlijke locatie vertellen waar een oppervlaktescheur zal beginnen.'", zei Geubelle.

De studie, "Energieafgiftesnelheidsbenadering voor kleine oppervlaktescheuren in driedimensionale domeinen met behulp van de topologische afgeleide, " is geschreven door Kazem Alidoost, Meng Feng, Philippe H. Geubelle, en Daniel A. Tortorelli. Het verschijnt in de Tijdschrift voor Toegepaste Mechanica .