Comparison of Fatigue Crack Growth Models for Predicting Residual Life

Abstract

Fatigue is one of the most critical failure mechanisms in structural materials. Accurate prediction of fatigue crack growth and residual fatigue life is essential to ensure structural safety and reliability during design and service-life assessment. This study aims to predict the residual fatigue life of a four-point bending specimen under fatigue loading conditions using the S-version finite element model (S-version FEM). Four fatigue crack growth models are implemented within the S-version FEM framework, namely Paris’ Law, Frost and Pook, Walker, and Huang Moan models, to simulate crack propagation and estimate residual fatigue life. Experimental data from Al7075-T6 are used for validation purposes. The results indicate that the Frost and Pook model achieves an error below 20%, demonstrating acceptable engineering accuracy. In contrast, the Paris’ Law, Walker, and Huang Moan models show significantly higher deviations from the experimental results. Overall, the Frost and Pook model exhibits the best agreement with the experimental findings and provides improved predictive capability compared to the other empirical models, confirming the effectiveness of the proposed S-version FEM approach for fatigue crack growth and residual fatigue life prediction in four-point bending structures. ABSTRAK: Retak-lesu merupakan salah satu mekanisme kegagalan paling kritikal dalam bahan struktur. Ramalan yang tepat terhadap pertumbuhan retak-lesu dan baki jangka hayat adalah penting bagi memastikan keselamatan dan kebolehpercayaan struktur dalam reka bentuk serta penilaian hayat perkhidmatan. Kajian ini bertujuan bagi meramalkan baki jangka hayat retak-lesu spesimen lenturan empat titik menggunakan model unsur terhingga S-version (S-version FEM) di bawah beban keletihan. Empat model pertumbuhan retak-lesu dijalankan dalam rangka kerja S-version FEM, iaitu Hukum Paris, Frost dan Pook, Walker, dan Huang Moan bagi mensimulasikan penyebaran retak serta menganggar baki jangka hayat retak-lesu. Data eksperimen daripada Al7075-T6 digunakan untuk tujuan pengesahan model. Keputusan menunjukkan bahawa model Frost dan Pook memberikan ralat kurang daripada 20%, sekaligus menunjukkan ketepatan kejuruteraan yang boleh diterima. Sebaliknya, model Hukum Paris, Walker, dan Huang Moan menunjukkan sisihan lebih tinggi berbanding keputusan eksperimen. Secara keseluruhan, model Frost dan Pook menunjukkan kesepadanan terbaik dengan keputusan eksperimen serta memberikan keupayaan ramalan yang lebih baik berbanding model empirik yang lain, sekaligus mengesahkan keberkesanan pendekatan S-version FEM yang dicadangkan dalam meramal pertumbuhan retak-lesu dan baki jangka hayat bagi struktur lenturan empat titik.