Mô hình hóa và mô phỏng sự lan truyền vết nứt trong vật liệu trực hướng bằng phương pháp trường pha
Email:
nxlam@utc.edu.vn
Từ khóa:
phương pháp trường pha, vật liệu trực hướng, ten-xơ định hướng, hư hỏng, lan truyền vết nứt, phân rã trực giao ten-xơ biến dạng
Tóm tắt
Hiện nay, vật liệu trực hướng được sử dụng phổ biến để gia cường kết cấu cầu và vỏ xe ô tô do độ bền theo phương chịu lực và độ cứng lớn, trong khi trọng lượng của chúng nhỏ. Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng phương pháp trường pha để mô phỏng hư hỏng và hướng lan truyền vết nứt của loại vật liệu này thông qua hai loại vật liệu gốc nhựa epoxy chứa cốt sợi song song Carbon (Carbon-epoxy) và thủy tinh (Glass-epoxy). Loại vật liệu này chỉ có ba trục đối xứng trực giao với nhau, trong đó, đặc tính vật liệu dọc theo trục hướng sợi lớn hơn nhiều so với đặc tính theo hai trục còn lại. Phương pháp trường pha trong nghiên cứu này được bổ sung một số điểm mới như: (i) một ten-xơ định hướng dùng để đại diện cho sự phát triển hư hỏng của hướng sợi trong vật liệu. Ten-xơ định hướng này được đưa vào phương pháp trường pha để dự đoán sự khởi tạo và lan truyền vết nứt trong vật liệu nêu trên; (ii) một dạng của phân rã ten-xơ biến dạng thỏa mãn điều kiện trực giao được áp dụng vào phương pháp đề xuất để nâng cao sự chính xác của ứng xử vật liệu. Thông qua một vài ví dụ số, các kết quả đạt được so sánh với các kết quả thực nghiệm và phân tích lý thuyết trong các nghiên cứu liên quan để kiểm chứng tính hiệu quả của phương pháp về khả năng dự đoán hư hỏng của vật liệu trực hướngTài liệu tham khảo
[1]. C. Miehe, M. Hofacker, F. Welschinger, A phase field model for rate-independent crack
propagation: robust algorithmic implementation based on operator splits, Comput. Methods
Appl. Mech. Eng, 199 (2010) 2765-2778. https://doi.org/10.1016/j.cma.2010.04.011
[2]. T.T. Nguyen, J. Yvonnet, Q.Z. Zhu, M. Bornert, C. Chateau, A phase field method to simulate
crack nucleation and propagation in strongly heterogeneous materials from direct imaging of
their microstructure, Eng. Fract. Mech, 139 (2015) 18-39. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2015.03.045
[3]. Nguyễn Thị Hải Như, Trần Anh Bình, Khảo sát ảnh hưởng của sự phân bố lỗ rỗng tới sự khởi tạo và phát triển vết nứt bằng phương pháp trường pha, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Xây dựng, 5 (2017) 100-107.
[4]. T.T. Nguyen, J. Yvonnet, Q.Z. Zhu, M. Bornert, C. Chateau, A phase-field method for
computational modeling of interfacial damage interacting with crack propagation
in realistic microstructures obtained by microtomography, Comput. Methods Appl.
Mech. Eng, 312 (2016) 567–95. https://doi.org/10.1016/j.cma.2015.10.007
[5]. W. Ren, Z. Yang, R. Sharma, C.H. Zhang, P.J. Withers, Two-dimensional X-ray CT image
based mesoscale fracture modelling of concrete, Eng. Fract. Mech, 133 (2015) 24-39. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.10.016
[6]. E. N. Landis, D. T .Keane, X-ray microtomography, Materials Characterization, 61 (2010) 1305-1316. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2010.09.012
[7]. P. Li, J. Yvonnet, C. Combescure, An extension of the phase field method to model interactions between interfacial damage and brittle fracture in elastoplastic composites, Int. J.
Mech. Sci, 179 (2020) 105633. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105633
[8]. Vũ Bá Thành, Trần Anh Tuấn, Nguyễn Đình Hải, Mô phỏng sự lan truyền vết nứt trong kết cấu nhiều pha vật liệu bằng phương pháp phase field có xét tới hư hỏng mặt phân giới, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, 72 (2021) 911-925. https://doi.org/10.47869/tcsj.72.8.5.
[9]. Vũ Bá Thành, Ngô Văn Thức, Bùi Tiến Thành, Trần Thế Truyền, Đỗ Anh Tú, Mô phỏng sự hình thành và lan truyền vết nứt trong dầm bê tông cường độ cao có chất kết dính bổ sung nano-silica bằng phương pháp phase field, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, 72 (2021) 672-686. https://doi.org/10.47869/tcsj.72.6.1
[10]. Vu Ba Thanh, H. Le Quang, Q.-C. He, Investigating crack nucleation and propagation by the phase field method with a new family of degradation functions, 5th International Conference on Structural Integrity and Durability, Dubrovnik, Croatia, 2021.
[11]. B. T. Vu, X. L. Nguyen, A. T. Do, Strain orthogonal decomposition implemented within the phase field method with interfacial damage to model fracture in multi-phase hetegeneous materials, Transport and communications science Journal, Thư chấp nhận đăng gửi ngày 16 tháng 6 năm 2022.
[12]. Vũ Bá Thành, Ngô Văn Thức, Phương pháp phase field với phân rã trực giao ten-xơ biến dạng mô phỏng hư hỏng kết cấu chứa vật liệu đẳng hướng, Kỷ yếu hội thảo khoa học quốc tế phát triển xây dựng bền vững trong điều kiện biến đổi khí hậu khu vực đồng bằng sông Cửu Long, Vĩnh Long tháng 11 năm 2021, 67-74, ISBN: 978-604-82-5956-3.
[13]. Vũ Bá Thành, Trần Anh Tuấn, Nguyễn Đình Hải, Nguyễn Xuân Lam, Phương pháp phase field với sử dụng phân rã trực giao thành phần ten-xơ biến dạng để dự đoán sự phát triển vết nứt trong vật liệu giòn, Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn lần thứ 15, Thái Nguyên tháng 9 năm 2021, 866-874, ISBN: 978-604-9987-74-8.
[14]. Q.C. He, Q. Shao, Closed-form coordinate-free decompositions of the two-dimensional strain and stress for modeling tension-compression dissymmetry, J. Appl. Mech, 86 (2019) 031007. https://doi.org/10.1115/1.4042217
[15]. P. Robinson, T. Besant, D. Hitchings, Delamination Growth Prediction Using a Finite Element Approach, Eur. Struct. Integrity Soc, 27 (2000) 135-147. https://doi.org/10.1016/S1566-1369(00)80014-X
[16]. L. Nobile, C. Carloni, Fracture analysis for orthotropic cracked plates, Composite Structures, 68 (2005) 285-293. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2004.03.020
[17]. B. Li, C. Peco, D. Millan, I. Arias, M. Arroyo, Phase-field modeling and simulation of fracture in brittle materials with strongly anisotropic surface energy, Int. J. Numer. Methods Eng, 102 (2015) 711-727. https://doi.org/10.1002/nme.4726
[18]. T.T. Nguyen, J. Yvonnet, M. Bornert, C. Chateau, K. Sab, R. Romani, R. Le Roy, On the choice of parameters in the phase field method for simulating crack initiation with experimental validation, Int. J. Fracture, 197 (2016) 213-226. https://doi.org/10.1007/s10704-016-0082-1
[19]. Phần mềm GMSH 4.8.4. https://gmsh.info
[20]. M. Arcisz, G.C. Sih, Effect of orthotropy on crack propagation, Theor. Appl. Fract. Mech, 1
(1984) 225-238. https://doi.org/10.1016/0167-8442(84)90003-X
propagation: robust algorithmic implementation based on operator splits, Comput. Methods
Appl. Mech. Eng, 199 (2010) 2765-2778. https://doi.org/10.1016/j.cma.2010.04.011
[2]. T.T. Nguyen, J. Yvonnet, Q.Z. Zhu, M. Bornert, C. Chateau, A phase field method to simulate
crack nucleation and propagation in strongly heterogeneous materials from direct imaging of
their microstructure, Eng. Fract. Mech, 139 (2015) 18-39. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2015.03.045
[3]. Nguyễn Thị Hải Như, Trần Anh Bình, Khảo sát ảnh hưởng của sự phân bố lỗ rỗng tới sự khởi tạo và phát triển vết nứt bằng phương pháp trường pha, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Xây dựng, 5 (2017) 100-107.
[4]. T.T. Nguyen, J. Yvonnet, Q.Z. Zhu, M. Bornert, C. Chateau, A phase-field method for
computational modeling of interfacial damage interacting with crack propagation
in realistic microstructures obtained by microtomography, Comput. Methods Appl.
Mech. Eng, 312 (2016) 567–95. https://doi.org/10.1016/j.cma.2015.10.007
[5]. W. Ren, Z. Yang, R. Sharma, C.H. Zhang, P.J. Withers, Two-dimensional X-ray CT image
based mesoscale fracture modelling of concrete, Eng. Fract. Mech, 133 (2015) 24-39. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.10.016
[6]. E. N. Landis, D. T .Keane, X-ray microtomography, Materials Characterization, 61 (2010) 1305-1316. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2010.09.012
[7]. P. Li, J. Yvonnet, C. Combescure, An extension of the phase field method to model interactions between interfacial damage and brittle fracture in elastoplastic composites, Int. J.
Mech. Sci, 179 (2020) 105633. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105633
[8]. Vũ Bá Thành, Trần Anh Tuấn, Nguyễn Đình Hải, Mô phỏng sự lan truyền vết nứt trong kết cấu nhiều pha vật liệu bằng phương pháp phase field có xét tới hư hỏng mặt phân giới, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, 72 (2021) 911-925. https://doi.org/10.47869/tcsj.72.8.5.
[9]. Vũ Bá Thành, Ngô Văn Thức, Bùi Tiến Thành, Trần Thế Truyền, Đỗ Anh Tú, Mô phỏng sự hình thành và lan truyền vết nứt trong dầm bê tông cường độ cao có chất kết dính bổ sung nano-silica bằng phương pháp phase field, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, 72 (2021) 672-686. https://doi.org/10.47869/tcsj.72.6.1
[10]. Vu Ba Thanh, H. Le Quang, Q.-C. He, Investigating crack nucleation and propagation by the phase field method with a new family of degradation functions, 5th International Conference on Structural Integrity and Durability, Dubrovnik, Croatia, 2021.
[11]. B. T. Vu, X. L. Nguyen, A. T. Do, Strain orthogonal decomposition implemented within the phase field method with interfacial damage to model fracture in multi-phase hetegeneous materials, Transport and communications science Journal, Thư chấp nhận đăng gửi ngày 16 tháng 6 năm 2022.
[12]. Vũ Bá Thành, Ngô Văn Thức, Phương pháp phase field với phân rã trực giao ten-xơ biến dạng mô phỏng hư hỏng kết cấu chứa vật liệu đẳng hướng, Kỷ yếu hội thảo khoa học quốc tế phát triển xây dựng bền vững trong điều kiện biến đổi khí hậu khu vực đồng bằng sông Cửu Long, Vĩnh Long tháng 11 năm 2021, 67-74, ISBN: 978-604-82-5956-3.
[13]. Vũ Bá Thành, Trần Anh Tuấn, Nguyễn Đình Hải, Nguyễn Xuân Lam, Phương pháp phase field với sử dụng phân rã trực giao thành phần ten-xơ biến dạng để dự đoán sự phát triển vết nứt trong vật liệu giòn, Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn lần thứ 15, Thái Nguyên tháng 9 năm 2021, 866-874, ISBN: 978-604-9987-74-8.
[14]. Q.C. He, Q. Shao, Closed-form coordinate-free decompositions of the two-dimensional strain and stress for modeling tension-compression dissymmetry, J. Appl. Mech, 86 (2019) 031007. https://doi.org/10.1115/1.4042217
[15]. P. Robinson, T. Besant, D. Hitchings, Delamination Growth Prediction Using a Finite Element Approach, Eur. Struct. Integrity Soc, 27 (2000) 135-147. https://doi.org/10.1016/S1566-1369(00)80014-X
[16]. L. Nobile, C. Carloni, Fracture analysis for orthotropic cracked plates, Composite Structures, 68 (2005) 285-293. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2004.03.020
[17]. B. Li, C. Peco, D. Millan, I. Arias, M. Arroyo, Phase-field modeling and simulation of fracture in brittle materials with strongly anisotropic surface energy, Int. J. Numer. Methods Eng, 102 (2015) 711-727. https://doi.org/10.1002/nme.4726
[18]. T.T. Nguyen, J. Yvonnet, M. Bornert, C. Chateau, K. Sab, R. Romani, R. Le Roy, On the choice of parameters in the phase field method for simulating crack initiation with experimental validation, Int. J. Fracture, 197 (2016) 213-226. https://doi.org/10.1007/s10704-016-0082-1
[19]. Phần mềm GMSH 4.8.4. https://gmsh.info
[20]. M. Arcisz, G.C. Sih, Effect of orthotropy on crack propagation, Theor. Appl. Fract. Mech, 1
(1984) 225-238. https://doi.org/10.1016/0167-8442(84)90003-X
Tải xuống
Chưa có dữ liệu thống kê
Nhận bài
18/05/2022
Nhận bài sửa
21/06/2022
Chấp nhận đăng
01/07/2022
Xuất bản
15/08/2022
Chuyên mục
Công trình khoa học
Kiểu trích dẫn
Vũ Bá, T., & Nguyễn Xuân, L. (1660496400). Mô hình hóa và mô phỏng sự lan truyền vết nứt trong vật liệu trực hướng bằng phương pháp trường pha. Tạp Chí Khoa Học Giao Thông Vận Tải, 73(6), 614-629. https://doi.org/10.47869/tcsj.73.6.2
Số lần xem tóm tắt
64
Số lần xem bài báo
53
