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Modelling of crack propagation in ductile materials

Tsakmakis, Aris (2023)
Modelling of crack propagation in ductile materials.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023111
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Modelling of crack propagation in ductile materials
Language: English
Referees: Vormwald, Prof. Dr. Michael ; Müller, Prof. Dr. Ralf
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 112 Seiten
Date of oral examination: 27 September 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00023111
Abstract:

Crack propagation in ductile materials is a major objective of fracture mechanics with numerous applications in structural analysis and engineering mechanics. The thesis is concerned with two different methods of modelling such issues, which have been employed successfully for problems in elasticity and have drawn attention in the fracture mechanics community in the recent years. The first one utilises the configurational forces approach and considers possible extensions to elastic-plastic materials with isotropic and kinematic hardening. The analysis of calculated examples makes clear that this method is generally not an appropriate one. Mathematically, this becomes noticeable by the fact that resulting J-integral expressions are path-dependent and physically, through the knowledge that it is not an easy matter to define a crack driving force unambiguously. Hence, a second method is applied, which addresses crack propagation for ductile materials in the frameworks of phase field theories and non-conventional thermodynamics. Again, plasticity with isotropic and kinematic hardening is supposed. Simulated examples and physical considerations suggest to employ the methods and ideas of traditional continuum damage mechanics as basis for the constitutive modelling. Accordingly, a new phase field model for ductile crack propagation is proposed. The capabilities of the model are verified with reference to one-, two- and three-dimensional examples, calculated with the finite element method. The analysis of these examples reveals that the proposed model is well suited for predicting crack propagation in ductile materials, subject to complex and in particular to cyclic loading conditions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Vorhersage von Rissen in duktilen Materialien ist ein wichtiges Ziel der Bruchmechanik mit zahlreichen Anwendungen in der Strukturanalyse und der Mechanik. Diese Arbeit befasst sich mit zwei verschiedenen Methoden zur Modellierung solcher Probleme, die erfolgreich für elastische Materialien eingesetzt wurden und in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit im Forschungsgebiet der Bruchmechanik auf sich gezogen haben. Die erste Methode nutzt den Ansatz der Konfigurationskräfte und betrachtet mögliche Erweiterungen auf elastisch-plastische Materialien mit isotroper und kinematischer Verfestigung. Die Analyse von numerischen Beispielen macht allerdings deutlich, dass diese Methode im Allgemeinen nicht geeignet ist. Dies macht sich dadurch bemerkbar, dass mathematisch die resultierenden Formulierungen von J-Integralen pfadabhängig sind, und physikalisch durch die Erkenntnis, dass es nicht einfach ist, eine Rissantriebskraft eindeutig zu definieren. Daher wird eine zweite Methode angewandt, die die Rissausbreitung für duktile Materialien im Rahmen von Phasenfeldtheorien und nicht-konventioneller Thermodynamik behandelt. Auch hier wird Plastizität mit isotroper und kinematischer Verfestigung angenommen. Numerische Beispiele und physikalische Überlegungen legen nahe, die Methoden und Konzepte der traditionellen Kontinuumsschädigungsmechanik als Grundlage für die konstitutive Modellierung zu verwenden. Darauf aufbauend wird ein neues Phasenfeldmodell für duktile Rissausbreitung vorgeschlagen. Die Fähigkeiten des Modells werden anhand von ein-, zwei- und dreidimensionalen Beispielen überprüft, die mit Hilfe von finiten Elementen berechnet wurden. Die Analyse dieser Beispiele zeigt, dass das vorgeschlagene Modell gut für die Berechnung von Risspfaden in duktilen Materialien unter komplexen und insbesondere unter zyklischen Lasten geeignet ist.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-231117
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics > Fachgebiet Werkstoffmechanik
Date Deposited: 20 Jan 2023 13:03
Last Modified: 23 Jan 2023 07:06
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23111
PPN: 503971049
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