Simulation of ductile fracture of S235JR steel using computational cells with microstructurally-based length scales

• Autorzy: Kossakowski P. G.

Warianty tytułu

PL

Symulacja pękania ciągliwego stali S235JR z zastosowaniem elementów zdefiniowanych na podstawie mikrostrukturalnych skal długości

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents results of a numerical modelling of ductile fracture and failure of elements made of S235JR steel subjected to static tension. The analysis was performed using the Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model, which takes into consideration the material structure. The GTN material parameters of S235JR steel were assumed basing on the results of its microstructural and strength properties. The aim of the research was to specify and test the procedure that enables one to perform engineering calculations of tensioned structural elements using the GTN material model. During numerical simulations, the mesh size-effect was analysed, basing on microstructurally-based length scales methods. The results show high sensivity of strength curves in the range from the maximum force to the failure depending on the method and mesh size applied.

PL

W artykule przedstawiono wyniki modelowania numerycznego pękania ciągliwego oraz zniszczenia elementów wykonanych ze stali S235JR poddanych statycznemu rozciąganiu. W analizie oparto się na modelu materiałowym Gursona-Tvergaarda-Needlemana (GTN), uwzględniającym strukturę materiałową. Parametry materiałowe modelu GTN stali S235JR przyjęto w oparciu o jej własności mikrostrukturalne i wytrzymałościowe. Celem badań było opracowanie i weryfikacja procedury umożliwiającej przeprowadzanie obliczeń inżynierskich rozciąganych elementów konstrukcyjnych przy zastosowaniu modelu GTN. Podczas symulacji numerycznych uwzględniono efekt wielkości siatki, stosując metody oparte na mikrostrukturalnych skalach długości. Uzyskane wyniki ujawniają wysoką wrażliwość krzywych wytrzymałościowych w zakresie od obciążenia maksymalnego do zniszczenia, w zależności od metody oraz wielkości siatki zastosowanej w obliczeniach.

Słowa kluczowe

EN

Gurson-Tvergaard-Needleman model; voids; numerical calculations; S235JR steel

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 50 nr 2
• Strony: 589--607
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kossakowski P. G.

• Faculty of Civil and Environmental Engineering, Kielce University of Technology, Kielce, Poland,

Bibliografia

• 1. ABAQUS 6.10 Analysis User’s Manual, Dassault Syst`emes, 2010
• 2. Borino G., Failla B., Parrinello F., 2003, A symmetric nonlocal damage theory, International Journal of Solids and Structures, 40, 13/14, 3621-3645
• 3. Chi W.-M., Kanvinde A.M., Deierlein G.G., 2006, Prediction of ductile fracture in steel connections using SMCS criterion, Journal of Structural Engineering, ASCE, 132, 2, 171-181
• 4. Gao X., Faleskog J., Shih C.F., 1998, Cell model for nonlinear fracture analysis – II. Fracture-process calibration and verification, International Journal of Fracture, 89, 4, 375-398
• 5. Gurson A.L., 1977, Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Part I – Yield criteria and flow rules for porous ductile media, Journal of Engineering Materials and Technology, Transactions of the ASME, 99, 1, 2-15
• 6. Faleskog J., Gao X., Shih C.F., 1998, Cell model for nonlinear fracture analysis – I. Micromechanics calibration, International Journal of Fracture, 89, 4, 355-373
• 7. Hancock J.W., MacKenzie A.C., 1976, On the mechanisms of ductile failure in high-strength steels subjected to multi-axial stress-states, Journal of Mechanics and Physics of Solids, 24, 2/3, 147-160
• 8. Kanvinde A.M., Deierlein G.G., 2006, The void growth model and stress modified critical strain model to predict ductile fracture in structural steels, Journal of Structural Engineering, 132, 12, 1907-1918
• 9. Kossakowski P., 2009, Analiza nośności oraz rozwoju uszkodzeń stali St3S (S235JRG2) w złożonych stanach naprężenia,Materiały konferencyjne 55. Konferencji Naukowej KILiW PAN i KN PZITB, Krynica, 157-164
• 10. Kossakowski P.G., 2010, An analysis of the load-carrying capacity of elements subjected to complex stress states with a focus on the microstructural failure, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 10, 2, 15-39
• 11. Kossakowski P.G., Trąmpczyński W., 2011, Numeryczna symulacja zniszczenia stali S235JR z uwzględnieniem wpływu uszkodzeń mikrostrukturalnych, Przegląd Mechaniczny, 4, 15-22
• 12. McClintock F.A., 1968, A criterion for ductile fracture by the growth of holes, Journal of Applied Mechanics, Transactions ASME Series E, 35, 363-371
• 13. Needleman A., Tvergaard V., 1984, An analysis of the ductile rupture in notched bars, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 32, 6, 461-490
• 14. Panontin T.L., Sheppard S.D., 1995, The relationship between constraint and ductile fracture initiation as defined by micromechanical analyses, Fracture Mechanics: 26th Volume, ASTM STP 1256, 54-85
• 15. PN-EN 10002-1:2004 Metallic Materials – Tensile Testing – Part 1: Method of Test at Ambient Temperature
• 16. PN-EN 1993-1-10:2007 Eurocode 3 – Design of Steel Structures – Part 1-10: Material Toughness and Through-thickness Properties
• 17. Ramaswamy S., Aravas N., 1998, Finite element implementation of gradient plasticity models. Part II: Gradient dependent evolutions equations, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 163, 1/4, 33-53
• 18. Rice J.R., Tracey D.M., 1969, On the ductile enlargement of voids in triaxial stress fields, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 17, 3, 201-217
• 19. Richelsen A.B, Tvergaard V., 1994, Dilatant plasticity or upper bound estimates for porous ductile solids, Acta Metallurgica et Materialia, 42, 8, 2561-2577
• 20. Rousselier G., 1987, Ductile fracture models and their potential in local approach of fracture, Nuclear Engineering and Design, 105, 1, 97-111
• 21. Sedlacek G., Feldmann M., K¨uhn B., Tschickardt D., H¨ohler S., M¨uller C., Hensen W., Strangh¨oner N., Dahl W., Langenberg P., M¨unstermann S., Brozetti J., Raoul J., Pope R., Bijlaard F., 2008, Commentary and worked examples to EN 1993-1-10 “Material toughness and through thickness properties” and other toughness oriented rules in EN 1993, JRC Scientific and Technical Reports, European Commission Joint Research Centre
• 22. Teirlinck D., Zok F., Embury J.D., Ashby M.F., 1988, Fracture mechanism maps in stress space, Acta Metallurgica, 36, 5, 1213-1228
• 23. Tvergaard V., 1981, Influence of voids on shear band instabilities under plane strain conditions, International Journal of Fracture, 17, 4, 389-407
• 24. Tvergaard V., Needleman A., 1984, Analysis of the cup-cone fracture in a round tensile bar, Acta Metallurgica, 32, 1, 157-169
• 25. Tvergaard V., Needleman A., 1995, Effects of nonlocal damage in porous plastic solids, International Journal of Solids and Structures, 32, 8/9, 1063-1077
• 26. Xia L., Shih C.F., 1995a, Ductile crack growth – I. A numerical study using computational cells with microstructurally-based length scales, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 43, 2, 233-259
• 27. Xia L., Shih C.F., 1995b, Ductile crack growth – II. Void nucleation and geometry effects on macroscopic fracture behavior, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 43, 12, 1953-1981