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

Abstract

The fracture and failure of quasi-brittle materials such as concrete and rock is a complicated process and difficult to model numerically. Such materials are heterogeneous and contain small internal defects and often fail in a quasi-brittle manner, caused by the growth and coalescence of the internal cracks, which adjoin to cause a macroscopic fracture with a considerable fracture process zone. The aim of this work is to develop methods for modelling the different phases of the failure process of quasi-brittle materials, starting from the behaviour of microcracks, onto the coalescence of the microcracks into macrocracking and finally to the continuous propagation of the macrocracks. The methods are based on fracture mechanics, continuum mechanics and numerical techniques and they were developed to be compatible with commercial finite element software. A combined analytical-numerical method for capturing the effects of microcracks on a continuum scale is presented and applied for large arrays of microcracks. The results show that the interaction of the microcracks is essential as it increases the susceptibility to fracture and affects the material's continuum response. Crack interaction plays a key role in compressive failure, which is demonstrated by studying wing-crack growth under compression. The growth of wing-cracks can lead to compressive failure, but the growth is easily halted by lateral confinement. The numerical study of 3-D wing-crack systems suggests that the interaction of suitably oriented crack systems can overcome the arresting effects of lateral confinement, leading to compressive failure. A remeshing method was developed to discretize internal fracturing, based on a fictitious crack approach. Directional softening of the material creates a stress-free plane, which can be converted into a free surface without disturbing the equilibrium. The method was implemented on top of Abaqus FE software and demonstrated with simple test cases. The post-failure phase of the failure process was captured with a cohesive surface method implemented in Abaqus. Cohesive elements that are potential fracture locations were inserted at each element boundary and the fragmentation continuously progresses as the interface elements fail. The crushing of an ice sheet simulated with the method predicted failure modes, contact forces and high-pressure locations similar to that observed experimentally. The development of quasi-brittle failure modelling methods is gaining new momentum with the increase of computational power, which allows the application of more sophisticated tools. This work contributes to that field with new methods, case studies and novel results relevant for the engineering community.

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.