A variational approach to brittle fracture and cohesive delamination: modelling and technological applications
- Autores: Valerio Carollo
- Directores de la Tesis: Jose Antonio Reinoso Cuevas (dir. tes.), Marco Paggi (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pedro Manuel Ponces Rodrigues de Castro Camanho (presid.), Davide Bigoni (secret.), Jose Antonio Reinoso Cuevas (voc.), Luis Arístides Távara Mendoza (voc.), Marco Paggi (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad de Sevilla
- Materias:
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- Resumen
A new computational model is used for the study of fracture phenomena in homogeneous and composite materials.
The computational model is based on the coupling between the phase field model and the cohesive zone model within the framework of the finite element method. This model is adopted from literature and consistently extended. The enhancements enclose the combination of the model with plasticity and its extension to the 3D finite elasticity framework.
This extension is formulated in a consistent way by means of the variational approach. The model is validated through numerical examples mostly based on experimental results.
The experiments are designed and performed by means of experimental facilities suitable for micro testing. The numerical simulations comprehend problems at different scales of homogeneous and composite materials in the bi-dimensional and three-dimensional space. The model results particularly appropriate for many technological applications. Among the different applications, the following cases are analysed: the competition between crack propagation and plasticity; the adhesive wear phenomenon considering the fracture of the micro asperities of two surfaces in contact; the mechanical behaviour of a nanolaminate and a microlaminate; the interaction between crack propagation and delamination. In the latter application is where the model shows its strength.
The competition between crack propagation and delamination in composite materials is simulated without the necessity of remeshing or crack tracking algorithms. The model is particularly suitable for the exploitation in many engineering industrial fields.
El uso de herramientas computacional para la simulación de fractura en materiales homogéneos y compuestos ha experimentado un auge muy significativo en las ´ últimas décadas.
En particular, la aplicación de tales técnicas predictivas en materiales compuestos permite alcanzar un mayor nivel de entendimiento de los diferentes mecanismos que pueden desarrollarse en tales materiales. En esta investigación se ha llevado a cabo el desarrollo numérico y la correspondiente implementación numérica en el contexto del Método de los Elementos Finitos (MEF) de una nueva técnica computacional que se basa en el acople entre a técnica denominada phase field (PF) para fractura frágil y el modelo de interfase cohesiva (cohesive zone model, CZM). Este modelo ha sido empleado recientemente con ´éxito para la predicción del comportamiento a fractura de diversos medios heterogéneos ya ha sido consistentemente extendido. Las extensiones y desarrollos adicionales llevados a cabo en este trabajo comprenden la combinación del modelo de interfase cohesiva con plasticidad en el medio continuo adyacente y la combinación de PFCZM para aplicaciones de elasticidad finita en simulaciones 3D. Esta ´ última técnica está formulada de manera consistente empleando una formulación variacional multi-campo, así como su combinación con técnicas numéricas que permitan paliar el bloqueo o locking. El modelo se ha validado a través de simulaciones numéricas que, en su mayoría, han sido validadas mediante su comparación con resultados experimentales. Estos experimentos están diseñados y llevados a cabo a través de equipos experimentales aptos para desarrollar ensayos a nivel de micro escala.
Las simulaciones numéricas contenidas en el presente trabajo comprenden problemas a escalas diferentes de materiales homogéneos y compuestos en 2D y 3D. El modelo se revela particularmente adecuado para muchas aplicaciones tecnológicas de alto nivel impacto tanto económico como social.
Entre otras se han analizado: la competición entre propagación de grieta y plasticidad en el continuo; el fenómeno de desgaste o wear adhesivo considerando la fractura entre las micro-asperezas en contacto; el comportamiento mecánico de nano y micro laminados; la interacción entre propagación de grieta y delaminación. En la ´ última aplicación ´no es donde el modelo desarrollado desvela su potencial. En concreto, la competición entre propagación de grieta y delaminacion en materiales compuestos se simula sin necesidad de refinar la malla o algoritmos de identificación de grietas. Como puede desprenderse de los resultados, el marco de modelado es particularmente apto para su explotación en muchos campos de la ingeniería, identificándose como un nuevo paradigma de análisis que permite solventar limitaciones presentes en técnicas alternativas.
