Strain gradient plasticity-based modeling of damage and fracture

این کتاب مقدمه ای جامع برای مدل سازی عددی اثرات اندازه در پلاستیسیته فلزی ارائه می دهد. کلاس‌های اصلی فرمول‌های پلاستیسیته گرادیان کرنش توصیف شده و به طور موثر در زمینه روش اجزای محدود اجرا می‌شوند. یک چارچوب عددی قوی برای بررسی نقش گرادیان‌های کرنش در ارزیابی یکپارچگی ساختاری ارائه شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتایج به‌دست‌آمده نیاز به گنجاندن تأثیر بر نابجایی‌های هندسی ضروری را در مدل‌سازی مکانیسم‌های آسیب مختلف نشان می‌دهد. شیب های بزرگ کرنش پلاستیک، چگالی نابجایی را افزایش می دهد، باعث سخت شدن کرنش و افزایش تنش نوک ترک می شود. این افزایش تنش تحت هر دو نظریه تغییر شکل بی‌نهایت کوچک و محدود اندازه‌گیری می‌شود و مشاهدات تجربی شکستگی را در حضور جریان پلاستیک قابل‌توجهی منطقی می‌کند. مدل‌سازی افزایش گرادیان مقاومت در برابر رشد ترک، انتشار هیدروژن و ترک‌خوردگی به کمک محیط‌زیست، ارتباط یک توصیف مناسب از پاسخ مکانیکی را در مقیاس‌های کوچک درگیر در تغییر شکل نوک ترک برجسته کرد. پیش‌بینی‌های امیدوارکننده‌ای در زمینه شکنندگی هیدروژن به دست آمده است. این تحقیق در دانشگاه‌های کمبریج، اویدو، لوکزامبورگ و دانشگاه فنی دانمارک در تلاشی مشترک برای درک، مدل‌سازی و بهینه‌سازی پاسخ مکانیکی مواد مهندسی انجام شده است.

This book provides a comprehensive introduction to numerical modeling of size effects in metal plasticity. The main classes of strain gradient plasticity formulations are described and efficiently implemented in the context of the finite element method. A robust numerical framework is presented and employed to investigate the role of strain gradients on structural integrity assessment. The results obtained reveal the need of incorporating the influence on geometrically necessary dislocations in the modeling of various damage mechanisms. Large gradients of plastic strain increase dislocation density, promoting strain hardening and elevating crack tip stresses. This stress elevation is quantified under both infinitesimal and finite deformation theories, rationalizing the experimental observation of cleavage fracture in the presence of significant plastic flow. Gradient-enhanced modeling of crack growth resistance, hydrogen diffusion and environmentally assisted cracking highlighted the relevance of an appropriate characterization of the mechanical response at the small scales involved in crack tip deformation. Particularly promising predictions are attained in the field of hydrogen embrittlement. The research has been conducted at the Universities of Cambridge, Oviedo, Luxembourg, and the Technical University of Denmark, in a collaborative effort to understand, model and optimize the mechanical response of engineering materials.