A Damage model for the ductile failure analysis of plastic components

Abstract

O objetivo deste trabalho é propor um modelo matemático e um sistema computacional, baseado no método dos elementos finitos, capaz de auxiliar a atividade de análise estrutural de componentes de plástico submetidos à falha dúctil. Basicamente, este sistema computacional será composto por um modelo elasto-viscoplástico acoplado ao dano, a fim de ser possível descrever a evolução das deformações inelásticas e os processos degradativos que conduzirão à falha e, assim, auxiliar no dimensionamento de componentes. O referido modelo foi desenvolvido sob as teorias propostas por Lemaitre [1], Fremond e Nedjar [2] e sob as abordagens da termodinâmica dos meios contínuos e do método do estado local, onde foram introduzidos os conceitos de potenciais termodinâmicos e de variáveis de estado. Ao se utilizar estas abordagens, assegura-se que os modelos produzirão resultados termodinamicamente consistentes. A fim de certificar o modelo proposto e validar o sistema numérico, realizou-se um ensaio uniaxial, em que o corpo de provas foi deformado até a sua fratura. Os dados obtidos do referido ensaio e de outros ensaios complementares foram utilizados na identificação das propriedades e constantes materiais, que definem o modelo proposto. Os procedimentos experimentais foram realizados no Departamento de Fibras e Tecnologia de Polímeros do Instituto Real de Tecnologia (KTH), em Estocolmo, Suécia.

The objective of this work is to propose a mathematical model and a numerical scheme, based on the finite element method, to be used to analyze mechanical components manufactured with plastic material, subjected to monotonic loading conditions that undergo a ductile failure. Basically, this numerical scheme will be composed by an elasto-viscoplastic model coupled with a non-local damage theory, in order to describe the evolution of the inelastic strains and the damaging processes of the material, which will consequently lead to the failure of the component. The cited model has been developed by means of the theories proposed by Lemaitre [1], Fremond and Nedjar [2], among others, and makes use of the method of local state variables and is derived within the scope of the consistent thermodynamics of the continuum medium. The main advantage of using these approaches is the confidence they give that the models can not produce thermodynamically unreasonable results. In order to attest the proposed model and to validate the numerical scheme, one considers an experimental uniaxial test, in which the specimen is deformed up to its ductile fracture. The data obtained from the given experimental uniaxial test and from other complementary experimental tests is then employed for the identification of the material properties and parameters, which define the proposed damage model. The experimental procedures have been performed at the Fibre and Polymer Technology Department of the Royal Institute of Technology (KTH), in Stockholm, Sweden.