Stress intensity factors for semi-elliptical surface cracks in pressurised cylinders using the boundary integral equation method

Abstract

Three dimensional linear elastic fracture mechanics analyses of the problem of an internally pressurised thick-walled cylinder with a semi-elliptical surface crack are carried out using the Boundary Integral Equation method. The cases treated are for ratios of external to internal cylinder radii of 2 and 3, with maximum crack depths ranging from 20% to 80% of the wall thickness. For a typical crack, the predicted value of stress intensity factor decreases slightly along the crack front moving away from the point of deepest penetration, reaching a minimum before increasing rapidly as the free internal surface of the cylinder is approached. The results presented will be of considerable use in the prediction of residual or safe life of, for example, chemical reactor tubes known to be cracked to a certain depth.

Résumé

Une analyse tri-dimensionnelle élastique et linéaire en mécanique de rupture du problème d'un cylindre à paroi épaisse soumis à pression interne et comportant une fissure de surface semi-elliptique a été effectuée en utilisant la méthode d'équation intégrale aux limites. Les cas envisagés dans l'étude sont relatifs à des rapports des rayons de cylindre externe et interne de 2 et de 3 avec des profondeurs maximum de fissure s'étalant de 20% à 80% de l'épaisseur de paroi. Dans le cas d'une fissure typique, la valeur prédite pour le facteur d'intensité des contraintes décroit légèrement le long du front de la fissure lorsque l'on se meut du point de pénétration le plus profond, et passe par un minimum pour ensuite s'accroître rapidement lorsqu'on approche de la surface libre interne du cylindre. Les résultats présentés s'avèreront d'une aide considérable pour prédire la vie résiduelle ou la durée de service fiable, par exemple, de tubes de réacteur chimique dont on sait qu'ils sont fissurés sur une certaine profondeur.