Multiscale modeling of dynamic failure in 3D polycrystalline materials using BEM and MD Modelagem multiescala de falha dinâmica em materiais policristalinos 3D usando BEM e MD

Autor: Galvis Rodriguez, Andres Felipe, 1989
Přispěvatelé: Sollero, Paulo, 1950, Wrobel, Luiz Carlos, Mesquita Neto, Euclides de, Dumont, Ney Augusto, Pavanello, Renato, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
DOI: 10.47749/t/unicamp.2019.1088764
Popis: Orientador: Paulo Sollero Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Esta tese apresenta uma abordagem multiescala para analisar a falha dinâmica intergranular em materiais policristalinos $3{\rm D}$. O modelo compreende as escalas meso e atomística usando o método dos elementos de contorno (BEM) e a dinâmica molecular (MD), respectivamente. Na mesoescala, é considerada uma estrutura policristalina detalhada, onde grãos apresentam morfologia estocástica, orientações cristalinas aleatórias e defeitos iniciais que são incluídos no modelo físico. Devido ao caráter heterogêneo, os materiais policristalinos tendem a ser macroscopicamente isotrópicos quando o número de grãos é abundante. Este fato facilita avaliar a influência dos efeitos dinâmicos sobre o comportamento mecânico dos policristais. A ausência de modelos dinâmicos analíticos para esses materiais estocásticos tem sido um desafio na validação dos resultados numéricos. Portanto, um novo esquema computacional é proposto para mostrar a validade da formulação elastodinâmica do BEM para estes materiais. As ondas de tensão e de deformação propagam-se através do policristal, induzindo o material a ser mais suscetível a falhas. A falha intergranular é governada pela densidade de energia crítica, levando em consideração a dependência da densidade de energia com a estrutura atômica das interfaces de um conjunto de nano-contornos de grão analisados. Para vincular as escalas, e devido à elevada variação das propriedades mecânicas com respeito ao tamanho da escala, a metodologia de escalonamento assintótico da tensão de escoamento é aplicada como uma aproximação. Assim, os resultados numéricos da falha dinâmica intergranular são apresentados para várias condições dinâmicas de carga Abstract: This thesis presents a multiscale approach to analyze the dynamic intergranular failure in $3{\rm D}$ polycrystalline materials. The model comprises the meso and atomistic scales using the boundary element method (BEM) and molecular dynamics (MD), respectively. A detailed polycrystalline structure is considered in the mesoscale, where stochastic grain morphologies, random crystalline orientations and initial defects are included in the physical model. Owing to its heterogeneous character, polycrystal aggregates tend to be macroscopically isotropic when the number of crystal grains is large. This fact facilitates the evaluation of the influence of the dynamic effects on the mechanical behavior. The absence of analytical dynamic models for these stochastic materials has been a challenge in validating the numerical results. Therefore, a computational framework is proposed to show the validation of the elastodynamic BEM formulation for these materials. Stress and strain waves propagate through the polycrystal, inducing the material to be more susceptible to fail. The intergranular failure is governed by the critical energy density, taking into account the energy density dependency on the interface lattice structures of a set of nano-grain boundaries. In order to connect the scales, and due to the high variation of the mechanical properties with respect to the scale size, the asymptotic scaling methodology applied to the yield strength is adopted as an approximation. Finally, numerical results of the dynamic intergranular failure are presented for various dynamic loads Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica CNPQ 154283/2014-2
Databáze: OpenAIRE
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