Numerical investigation of phase-field models for fracture on the micro- and nanoscale

  • Numerische Untersuchung von Phasenfeld-Modellen für Bruchmechanik auf der Mikro- und Nanoskala

Jansen, Carlos; Markert, Bernd (Thesis advisor); Kurfess, Thomas (Thesis advisor); Barrales Mora, Luis Antonio (Thesis advisor)

Aachen : Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Report. IAM, Institute of General Mechanics 07
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die vorgestellte Arbeit kombiniert die weit verbreitete Theorie der Phasenfeldmodellierung mit physikalisch rigoroseren und moderneren Simulationstechniken, um eine Brücke zwischen der Nano- und Mesoskala zur Modellierung des Feststoffbruchs zuschlagen. Auf diese Weise wird in dieser Arbeit ein Beitrag zur Beschreibung dieses Phänomens unter einer ganzheitlichen Perspektive geleistet. Dementsprechend werden verschiedene Beispiele zur Ergänzung und Kopplung von Phasenfeldmodellen für spröden und duktilen Bruch mit Molekulardynamik und Kristallplastizität vorgestellt. Einerseits wird die Schätzung mehrerer Parameter auf der Nanoskala mittels Molekulardynamikdurchgeführt und dann sequentiell in das Phasenfeldkontinuum-Framework skaliert. Dies bestätigt die Vielseitigkeit der Phasenfelder zur Beschreibung jeglicher Art von Phasenübergangsproblemen, trotz der Längenskala, und die Möglichkeit, mit Hilfe von Vollatomsimulationen entscheidende Parameter zu schätzen, die bisher nur experimentell oder durch Kurvenanpassungsverfahren geschätzt wurden. Andererseits wird eine sorgfältige Kopplung von Kristallplastizitätstheorien in ein modifiziertes Phasenfeldmodell für den spröden Bruch implementiert. Hiermit wird ein neuartiges Verfahren zur Berücksichtigung von plastischen Schäden und duktilem Bruch untereinem hybriden Phasenfeld-Kristall-Kunststoff-Gerüst vorgeschlagen. Zu diesem Zweckwerden Anfangsrandwertprobleme mathematisch modelliert und mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode unter Berücksichtigung quasistatischer Bedingungen und kleiner Dehnungen numerisch simuliert. Die Standard-Zugversuche an verschiedenen homogenen, vorgerissenen Materialien werden durchgeführt, um sowohl das Sprödbruch- als auch das duktile Bruchphasenfeldmodell zu validieren. Darüber hinaus wird auch eine3D-Erweiterung des Sprödbruchmodells vorgestellt. Weitere Validierungen unter Berücksichtigung des Bruchverhaltens unter Scherbelastung (Modus II) und der Anwendung des Modells auf ein bio-inspiriertes, zweiphasiges Material werden ebenfalls geliefert. Auf diese Weise schlägt der Ergebnis dieser Arbeit nicht nur eine Möglichkeit vor, eine physikalische Anreicherung von Phasenfeldmodellen für Rissausbreitung und -Wachstum zu erleichtern, sondern trägt auch zur Erleichterung der theoretischen Verflechtung zwischen Schadens- und Brucheigenschaften an der Nano-, Mikro- und Mesoskala bei.

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