Computational modelling of ductile fracture on multiple geometrical scales

Research Project, 2013 – 2016

Huvudsyftet med det aktuella projektet är att utveckla en verklighetstrogen och beräkningseffektiv modell för simulering av brott i metaller som utsätts för stora töjningar. Den grundläggande mekanismen för brott i metalliska material vid dessa plastiska deformationer är att små mikrosprickor och håligheter bildas. Dessa växer sedan under ökande belastning för att så småningom sammanfogas till större defekter som tillslut genererar fullständigt brott i materialet. Forskningen inom det föreslagna projektet avser att utveckla en beräkningsmetod baserad på flerskalig modellering av denna brottprocess. Flerskalig modellering innebär att materialbeteendet representeras på olika nivåer; i det aktuella fallet från den s.k. mesonivån i storleksordningen av ett antal metallkorn (c:a 0.1 mm - 1 mm) synlig enbart via mikroskop, till makronivån på vilken det huvudsakliga problemet analyseras. Mer precist innebär flerskalig modellering i detta sammanhang att brottprocessen modelleras i detalj på meso-nivån där hänsyn tas till mikrostrukturen hos materialet och uppkomsten och tillväxten av ovan nämnda mikrosprickor och håligheter. Idén är sedan att koppla det mikrostrukturella materialbeteendet på mesonivån (via s.k. homogenisering) till makroskopiska nivån där brottet modelleras via tillväxande sprickor av storlek som är synliga även med blotta ögat. Syftet med projektet är också att jämföra flerskalig modellering av brott med ett mer klassiskt angreppssätt där problemet studeras enbart på makroskopisk nivå. Materialet betraktas i det sistnämna fallet i praktiken som homogent och materialets respons beskrivs av kontinuummodeller som direkt relaterar makroskopiska storheter som spänning och töjning. Detta alternativa angreppssätt kräver mindre beräkningskapacitet i förhållande till en flerskalig modell men kan å andra sidan inte på samma sätt ta hänsyn till mikrostrukturella effekter i materialet såsom kornstorlek och -orientering, effekter av korngränser eller förekomsten av inklusioner eller andra defekter. Dessutom har den ökade kapaciteten hos beräkningsdatorer och tillgängligheten till beräkningskluster skapat större möjligheter till tidseffektiva analyser även med flerskaliga modeller. Det bör i detta sammanhang betonas att en avancerad och verklighetstrogen modell kan visa sig oanvändbar om den blir alltför resurskrävande avseende t.ex. beräkningstid. Huvudfokus för detta arbete kommer således vara att hitta en beräkningseffektiv metod med bra balans mellan tidsåtgång och noggrannhet. Ett viktigt tillämpningsområde för en tillförlitlig modell av brott i metaller är inom simulering av kapningsprocesser eller annan skärande bearbetning där delar av materialet avlägsnas. I detta fall är brott eller ytseparation en önskvärd och nödvändig effekt. Tillgången till en realistisk brottmodell innebär att simulering i stor utsträckning kan användas istället för omfattande provning vid utveckling av nya tillverkningsprocesser. På så sätt kan nya energieffektiva metoder utvecklas relativt billigt och med stor flexibilitet då processvariationer enkelt kan analyseras genom variationer i indata till simuleringar istället för att varje variation måste provas i verkligheten. Andra viktiga tillämpningar där man istället vill undvika brott är t.ex. i krocksäkerhetssammanhang eller vid dimensionering av skyddsutrustning t.ex. mot explosioner eller projektiler. Här innebär tillgången till motsvarande materialmodell att mer tillförlitliga analyser kan genomföras. Detta leder i sin tur till lättare konstruktioner eftersom mindre säkerhetsmarginaler krävs då osäkerheten i analyserna minskar. I alla de exemplifierade tillämpningsområdena medför ökad kunskap om brottprocessen hos metaller både konkurrensfördelar för producerande företag samt ett mer hållbart och säkert samhälle med minskad miljöbelastning i och med mindre energi- och råvaruutnyttjande.