Analysis of Discontinuities in Metallic Materials With the Extended Finite Element Method

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorLaukkanen, Anssi 
dc.contributor.authorAndersson, Tom
dc.contributor.departmentSovelletun mekaniikan laitosfi
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Engineeringen
dc.contributor.supervisorTuhkuri, Jukka 
dc.date.accessioned2020-12-23T12:05:24Z
dc.date.available2020-12-23T12:05:24Z
dc.date.issued2010 
dc.description.abstractThe goal of this work was to develop a finite element method code able to handle strong and weak discontinuities in two dimensional cases. The code is able to model crack (strong discontinuity) propagation and take into account the presence of precipitates. Precipitates (weak discontinuity) are modelled as small material domains with Young's modulus differing from the rest of the specimen. The code is written in Matlab utilizing the Getfem general purpose finite element (FE) library. Getfem-library is an open source library developed with C++. As case studies three edge crack configurations in a two dimensional tensile type fracture mechanics square specimen are considered. In these cases the specimen is loaded from its upper boundary and the lower boundary is fixed. In first case a stationary crack, with length of 3/10 the whole specimen is analyzed with the aim of verifying the code. In the eases to follow the crack propagation capabilities of the implementation are investigated. The initial crack length in these cases is 1/10 of the whole specimen. The maximum circumferential tensile stress criterion is used to calculate the crack propagation angle. In second case three different crack propagation variants are considered: one with loading perpendicular to the crack, one with loading parallel to the crack, and one with a 45° angle. The third case is similar to the first variant of case two only difference is that precipitates are included into the material. Constitutive properties of the precipitates differ in these analyses. The code was verified by crosschecking computed stress intensity factor values with the analytical ones. The computed results were in good agreement with the theory. The crack propagation was analyzed by comparing the computed crack growth angles and the ones given by the used crack growth criterion. The crack propagation and its behaviour near regions with discontinuously varying material properties were in good accordance with theoretical crack propagation. The Getfem-library is found to be effective and user friendly, regardless of the lack of documentation, in building XFEM codes. The code developed during this work will be used as a base for more sophisticated and effective XFEM codes.en
dc.description.abstractTämän työn tarkoituksena oli kehittää elementtimenetelmää soveltava koodi. Koodilla mallinnetaan särön kasvua erkaumia sisältävässä materiaalissa. Särö mallinnetaan vahvana epäjatkuvuutena. Erkaumat ovat mallinnettu pieninä alueina, joiden kimmokerroin poikkeaa muusta materiaalista. Nämä alueet erottuvat perusaineesta heikkoina epäjatkuvuuksina. Työn puitteissa koodia sovelletaan vain kaksiulotteisissa tapauksissa. Koodi on toteutettu Matlab ympäristössä, käyttäen hyväksi Getfem kirjaston ominaisuuksia. Getfem on avoimen lähdekoodin C++ elementtimenetelmä kirjasto. Koodi testataan mallintamalla reunasärö kappaleeseen. Kappaleen alareuna on jäykästi kiinnitetty ja yläreunaan asetetaan voimareunaehto. Särön pituus on 3/10 koko kappaleen pituudesta. Tämän lisäksi koodilla simuloidaan särön kasvua kolmella toisistaan eroavalla tapauksella. Alkusärön pituus näissä tapauksissa on 1/10 kappaleen pituudesta. Särön kasvun kulma määritetään suurimman vetojännitys ehdon mukaisesti. Ensimmäisessä tapauksessa kappaletta kuormitetaan pystysuoralla voimalla, toisessa tapauksessa kuormittava voima on särön suuntainen ja viimeisessä tapauksessa kuormittava voima on asetettu 45° kulmaan säröön nähden. Laskentarutiinin antamia jännitysintensiteettikertoimia verrattiin analyyttisesti saatuihin. Laskentarutiini tuotti särön kärjen lähelle oikeanlaisen jännityskentän ja sen antamat jännitysintensiteettikertoimet ovat teorian mukaisia. Laskentarutiiniin antamia särön kasvukulmia verrattiin käytetyn särönkasvukriteerin antamiin. Laskentarutiini tuotti oikeanlaisen särörintaman ja sen tuottama säröpolku materiaaliominaisuuksiltaan pääaineesta poikkeavien alueiden läheisyydessä vastaa kirjallisuudessa esiintyviä tapauksia. Koodia tullaan käyttämään pohjana tuleville ohjelmille, joiden avulla voidaan simuloida särön kasvua todellisessa materiaalissa.fi
dc.format.extent(8) + 80 
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/97718
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-2020122356545
dc.language.isoenen
dc.programme.majorLujuusoppifi
dc.programme.mcodeKul-49fi
dc.rights.accesslevelclosedAccess
dc.subject.keywordFEMen
dc.subject.keywordmurtumismekaniikkafi
dc.subject.keywordXFEMen
dc.subject.keywordsärönkasvufi
dc.subject.keywordfracture mechanicsen
dc.subject.keywordcrack propagationen
dc.titleAnalysis of Discontinuities in Metallic Materials With the Extended Finite Element Methoden
dc.titleEpäjatkuvuuksien analysointi metallisissa materiaaleissa XFEM-menetelmälläfi
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö 
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotPro gradu -tutkielmafi
dc.type.publicationmasterThesis 
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_90557
local.aalto.idinssi39313
local.aalto.openaccessno
Files
Collections
[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG