Applications of lattice method in the simulation of crack path in heterogeneous materials
- 1. Universidade Federal do Pampa
- 2. Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Description
The simulation of critical and subcritical crack propagation in heterogeneous materials is not a simple problem in computational mechanics. These topics can be studied with different theoretical tools. In the crack propagation problem it is necessary to lead on the interface between the continuum and the discontinuity, and this region has different characteristics when we change the scale level point of view. In this context, this work applies a version of the lattice discrete element method (LDEM) in the study of such matters. This approach lets us to discretize the continuum with a regular tridimensional truss where the elements have an equivalent stiffness consistent with the material one wishes to model. The masses are lumped in the nodes and an uni-axial bilinear relation, inspired in the Hilleborg constitutive law, is assumed for the elements. The random characteristics of the material are introduced in the model considering the material toughness as a random field with defined statistical properties. It is important to highlight that the energy balance consistence is maintained during all the process. The spatial discretization lets us arrive to a motion equation that can be solved using an explicit scheme of integration on time. Two examples are shown in the present paper; one of them illustrates the possibilities of this method in simulating critical crack propagation in a solid mechanics problem: a simple geometry of grade material. In the second example, a simulation of subcritical crack growth is presented, when a pre-fissured quasi-brittle body is submitted to cyclic loading. In this second example, a strategy to measure crack advance in the model is proposed. Finally, obtained results and the performance of the model are discussed.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
إن محاكاة انتشار الشقوق الحرجة ودون الحرجة في المواد غير المتجانسة ليست مشكلة بسيطة في الميكانيكا الحسابية. يمكن دراسة هذه الموضوعات باستخدام أدوات نظرية مختلفة. في مشكلة انتشار الكراك، من الضروري أن تقود على الواجهة بين الاستمرارية والانقطاع، وهذه المنطقة لها خصائص مختلفة عندما نغير وجهة نظر مستوى المقياس. في هذا السياق، يطبق هذا العمل نسخة من طريقة العناصر المنفصلة الشبكية (LDEM) في دراسة مثل هذه الأمور. يسمح لنا هذا النهج بتقطيع السلسلة المتصلة باستخدام جمالون ثلاثي الأبعاد منتظم حيث يكون للعناصر صلابة مكافئة تتفق مع المادة التي يرغب المرء في نمذجتها. يتم تجميع الكتل في العقد ويفترض وجود علاقة ثنائية خطية أحادية المحور، مستوحاة من القانون التأسيسي لهيلبورغ، للعناصر. يتم إدخال الخصائص العشوائية للمادة في النموذج مع الأخذ في الاعتبار المتانة المادية كحقل عشوائي مع خصائص إحصائية محددة. من المهم تسليط الضوء على أنه يتم الحفاظ على اتساق توازن الطاقة خلال جميع العملية. يتيح لنا التقسيم المكاني الوصول إلى معادلة حركة يمكن حلها باستخدام مخطط صريح للتكامل في الوقت المحدد. يوجد مثالان في هذه الورقة ؛ يوضح أحدهما إمكانيات هذه الطريقة في محاكاة انتشار الشقوق الحرجة في مشكلة ميكانيكا صلبة: هندسة بسيطة للمواد الصفية. في المثال الثاني، يتم تقديم محاكاة لنمو الكراك دون الحرج، عندما يتم تقديم جسم شبه هش متشقق مسبقًا للتحميل الدوري. في هذا المثال الثاني، يتم اقتراح استراتيجية لقياس تقدم الشقوق في النموذج. أخيرًا، تتم مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها وأداء النموذج.Translated Description (French)
La simulation de la propagation de fissures critiques et sous-critiques dans des matériaux hétérogènes n'est pas un problème simple en mécanique informatique. Ces sujets peuvent être étudiés avec différents outils théoriques. Dans le problème de propagation des fissures, il est nécessaire de mener à l'interface entre le continuum et la discontinuité, et cette région a des caractéristiques différentes lorsque nous changeons le point de vue du niveau d'échelle. Dans ce contexte, ce travail applique une version de la méthode des éléments discrets en treillis (LDEM) dans l'étude de ces questions. Cette approche nous permet de discrétiser le continuum avec une ferme tridimensionnelle régulière où les éléments ont une rigidité équivalente compatible avec le matériau que l'on souhaite modéliser. Les masses sont regroupées dans les nœuds et une relation bilinéaire uni-axiale, inspirée de la loi constitutive de Hilleborg, est supposée pour les éléments. Les caractéristiques aléatoires du matériau sont introduites dans le modèle en considérant la ténacité du matériau comme un champ aléatoire avec des propriétés statistiques définies. Il est important de souligner que la cohérence du bilan énergétique est maintenue tout au long du processus. La discrétisation spatiale nous permet d'arriver à une équation de mouvement qui peut être résolue en utilisant un schéma explicite d'intégration dans le temps. Deux exemples sont présentés dans le présent article ; l'un d'eux illustre les possibilités de cette méthode pour simuler la propagation de fissures critiques dans un problème de mécanique des solides : une géométrie simple de matériau de grade. Dans le deuxième exemple, une simulation de la croissance des fissures sous-critiques est présentée, lorsqu'un corps quasi fragile pré-fissuré est soumis à une charge cyclique. Dans ce deuxième exemple, une stratégie pour mesurer l'avance de fissure dans le modèle est proposée. Enfin, les résultats obtenus et la performance du modèle sont discutés.Translated Description (Spanish)
La simulación de la propagación de grietas críticas y subcríticas en materiales heterogéneos no es un problema sencillo en mecánica computacional. Estos temas se pueden estudiar con diferentes herramientas teóricas. En el problema de propagación de grietas es necesario liderar en la interfaz entre el continuo y la discontinuidad, y esta región tiene diferentes características cuando cambiamos el punto de vista del nivel de escala. En este contexto, este trabajo aplica una versión del método de elementos discretos de celosía (LDEM) en el estudio de tales asuntos. Este enfoque nos permite discretizar el continuo con una armadura tridimensional regular donde los elementos tienen una rigidez equivalente consistente con el material que se desea modelar. Las masas se agrupan en los nodos y se asume una relación bilineal uniaxial, inspirada en la ley constitutiva de Hilleborg, para los elementos. Las características aleatorias del material se introducen en el modelo considerando la tenacidad del material como un campo aleatorio con propiedades estadísticas definidas. Es importante destacar que la consistencia del balance energético se mantiene durante todo el proceso. La discretización espacial nos permite llegar a una ecuación de movimiento que puede resolverse utilizando un esquema explícito de integración a tiempo. En el presente documento se muestran dos ejemplos; uno de ellos ilustra las posibilidades de este método para simular la propagación crítica de grietas en un problema de mecánica de sólidos: una geometría simple de material de ley. En el segundo ejemplo, se presenta una simulación del crecimiento de grietas subcríticas, cuando un cuerpo cuasi frágil pre-fisurado se somete a una carga cíclica. En este segundo ejemplo, se propone una estrategia para medir el avance de la grieta en el modelo. Finalmente, se discuten los resultados obtenidos y el rendimiento del modelo.Files
1601.pdf
Files
(22 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:5a2bce9d53f443761357fef4f5674ca7
|
22 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تطبيقات طريقة التشابك في محاكاة مسار الشقوق في المواد غير المتجانسة
- Translated title (French)
- Applications de la méthode du treillis dans la simulation du chemin de fissuration dans des matériaux hétérogènes
- Translated title (Spanish)
- Aplicaciones del método de celosía en la simulación de la trayectoria de grietas en materiales heterogéneos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W1800624232
- DOI
- 10.3221/igf-esis.34.24
References
- https://openalex.org/W124351272
- https://openalex.org/W1690535910
- https://openalex.org/W1977369968
- https://openalex.org/W2019550580
- https://openalex.org/W2038239761
- https://openalex.org/W2069442882
- https://openalex.org/W2071848782
- https://openalex.org/W2091226575
- https://openalex.org/W2132251970
- https://openalex.org/W2951096746