Development of methods for modelling the failure of quasi-brittle materials

Kvasihauraan materiaalin murtumisprosessi on monimutkainen ja vaikea mallintaa. Tällaiset materiaalit ovat heterogeenisia ja sisältävät sisäisiä vikoja, jotka kuormituksen alla kasvavat ja yhdistyvät makrosäröksi, jonka kärjessä on merkittävä prosessivyöhyke. Tämän työn tavoitteena on kehittää menetelmiä mallintamaan kvasihauraiden materiaalien murtumisprosessin eri vaiheita alkaen mikrosäröjen käyttäytymisestä ja niiden yhdistymisestä makrosäröiksi ja päättyen makrosäröjen etenemiseen sekä materiaalin jatkuvan murtumisen kuvaamiseen. Kehitetyt menetelmät pohjautuvat murtumismekaniikkaan, kontinuumimekaniikkaan sekä numeerisiin tekniikoihin ja ne suunniteltiin yhteensopiviksi elementtimenetelmään ohjelmistojen kanssa. Työ esittää analyyttisen-numeerisen menetelmän, joka kehitettiin kuvaamaan mikrosäröjen vaikutuksia materiaalissa. Menetelmällä mallinnettiin tapauksia, joissa materiaalissa on suuri joukko pieniä alkusäröjä. Tulosten perusteella säröjen vuorovaikutus on tärkeä huomioida, koska se lisää materiaalin alttiutta murtumiselle ja vaikuttaa materiaalin kontinuumikäyttäytymiseen. Säröjen vuorovaikutus on tärkeässä roolissa myös materiaalin puristusmurrossa, mikä demonstroitiin mallintamalla siipisäröjen (wing crack) yhdistymisen aiheuttamaa puristusmurtoa. Työssä esitetty 3-D siipisärösysteemeiden mallinnus osoittaa, että säröjen vuorovaikutuksen särönkasvua edistävä vaikutus voi ylittää lateraalisen puristuksen särönkasvua pysäyttävän vaikutuksen, mikä voi mahdollistaa puristusmurron myös Työssä esitetään menetelmä laskentamallin uudelleenverkotukseen, joka muuttaa materiaalimallin ennustamat sisäiset säröt diskreeteiksi. Materiaalin suuntautunut pehmeneminen johtaa sisäiseen jännityksettömään tasoon, joka voidaan muuttaa vapaiksi pinnoiksi häiritsemättä ratkaisun tasapainoa. Menetelmä on yhteensopiva Abaqus –elementtimenetelmäohjelmiston kanssa ja sen toimivuus demonstroitiin yksinkertaisilla testitapauksilla. Jatkuvan murtumisen vaihe kuvattiin työssä käyttäen koheesiivisiin elementteihin pohjautuvaa mallinnustekniikkaa, joka implementoitiin Abaqus –elementtimenetelmäohjelmistoon. Materiaalin säröily keskittyy kontinuumielementtien rajapinnoissa oleviin koheesiivisiin elementteihin, joiden vaurioituminen mahdollistaa elementtien irtoamisen toisistaan ja siten materiaalin fragmentoitumisen. Menetelmää sovellettiin kuvaamaan jäälevyn murtumista puristuksessa. Simulaation ennustamat vauriomuodot, kontaktialueet ja –voimat olivat samankaltaisia referenssikokeiden kanssa. Tietokonekapasiteetin kasvu edistää tutkimusta kvasihauraiden materiaalien mallinnuksesta ja mahdollistaa kehittyneempien menetelmien käyttöönoton. Tämä työ on edistänyt tätä tutkimusalaa kehittämällä uusia menetelmiä ja soveltamalla niitä relevantteihin tarkastelutapauksiin sekä uusilla tuloksilla, jotka ovat merkityksellisiä insinööriyhteisölle.