Unapređenje, implementacija i eksperimentalna verifikacija numeričkog modeliranja oštećenja i loma metala primenom faznog modeliranja

Abstract

Rezime: Model faznog polja oštećenja (eng. Phase Field Damage Model - PFDM) predstavlja najsavremeniji vid simulacije predviđanja razvoja oštećenja i prslina u materijalu. U ovoj disertaciji je modifikovan fon Mizesov materijalni model za plastičnost metala i implementirana je poboljšana varijanta PFDM da bi se simuliralo žilavo ponašanje metala. Poboljšanja koja su predložena i implementirana u okviru ove doktorske disertacije su: 1) nov oblik promenljive sprezanja plastičnosti i oštećenja koja se aktivira nakon dostizanja kritične vrednosti ekvivalentne plastične deformacije; 2) proširenje fon Mizesovog modela dvointervalskom funkcijom tečenja koja se sastoji od perfektne plastičnosti ili linearnog ojačanja sa proširenom Simovom funkcijom ojačanja. Eksperimentalna ispitivanja jednoosnim zatezanjem izvršena su na epruvetama od legure aluminijuma 5083 i čelika S355 u cilju identifikacije parametara materijala za verifikaciju implementiranog PFDM. Naizmenična iterativna šema, multiplikativna dekompozicija gradijenta deformacije i logaritamska mera deformacije implementirani su u softver PAK koji radi na principu metode konačnih elemenata. Predložena implementacija PFDM je prvo verifikovana na primeru sa jednim konačnim elementom iz literature, a zatim su sprovedena eksperimentalna ispitivanja uzoraka i numerička simulacija odgovarajućih MKE modela. Zabeleženo je odlično kvalitativno i kvantitativno preklapanje krivih zavisnosti sila-pomeranje dobijenih eksperimentalno i numerički. Prednosti predložene implementacije PFDM su bolja kontrola simulacije razvoja oštećenja u konstrukcijama napravljenim od legure aluminijuma ili čelika, kao i lako proširenje postojećeg fon Mizesovog modela plastičnosti.

Abstract: Phase-Field Damage Model (PFDM) represents a state-of-the-art simulation tool for predicting damage and crack evolution in materials. This dissertation shows the modification of the von Mises metal plasticity material model and implementation of improved PFDM to simulate ductile behaviour of metallic materials. Proposed and implemented improvements in this thesis are: 1) modified variable that couples plasticity and damage and is activated after the critical equivalent plastic strain is reached; 2) extension of the von Mises plasticity model by a two-stage yield function consisting of perfect plasticity or linear hardening and extended Simo-type hardening function. Experimental uniaxial tensile tests were performed using aluminium alloy 5083 and steel S355 specimens to identify the material parameters for verifying the implemented PFDM. The staggered iterative scheme, multiplicative decomposition of the deformation gradient, and logarithmic strain measure are implemented into PAK software based on the finite element method (FEM). Firstly, the proposed PFDM implementation is verified by the “one finite element“ example from the literature, and after that, the experimental tests on specimens and numerical simulation of corresponding FE models were performed. Excellent qualitative and quantitative overlapping of the force-displacement curves obtained experimentally and numerically is recorded. Advantages of the proposed PFDM implementation are better control of the simulation of damage evolution in aluminium alloy or steel structures, and a straightforward extension of the existing von Mises plasticity model.