×
马利尼·西蒙斯；埃米利奥·马丁内斯·帕涅达

形状记忆合金断裂和疲劳的相场模拟。 （英语） Zbl 1506.74022号

计算。方法应用。机械。工程师。 373，文章ID 113504，22 p.（2021）.
总结：我们提出了一种新的相场框架，用于模拟形状记忆合金（SMA）的断裂和疲劳。本构模型捕获了形状记忆合金的超弹性行为，损伤由弹性应变能密度和相变应变能密度驱动。我们考虑了断裂能恒定的假设和断裂能依赖于马氏体体积分数的情况。该框架在隐式时间积分方案中实现，具有整体和交错求解策略。通过对一些典型问题进行建模，展示了这种公式的潜力。首先，使用边界层模型检查裂纹尖端场并计算裂纹扩展阻力曲线（R曲线）。我们表明，该模型能够捕获与形状记忆合金相关的主要断裂特征，包括与应力诱导相变相关的增韧效应。深入了解了温度、材料强度、裂纹密度函数和断裂能量均匀化的作用。其次，解决了几个二维和三维边界值问题，证明了该模型在捕捉SMA中复杂裂纹现象方面的能力，例如不稳定裂纹扩展、混合型断裂或多个裂纹之间的相互作用。最后，将该模型扩展到疲劳，并用于捕捉生物医学支架中裂纹的形核和扩展，这是镍钛合金SMA的典型应用。

引用于13文件

MSC公司：

74A45型 断裂和损伤理论
74D10型 具有记忆材料的非线性本构方程

关键词：

相位场；形状记忆合金；骨折；疲劳；有限元分析

软件：

ABAQUS公司；Abaqus2实验室；相位场UEL；UELSGP公司；相位场FEniCS；相位场H
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
\textit{M.Simoes}和\textit{E.Martínez-Pañeda}，计算。方法应用。机械。工程373，文章ID 113504，22 p.（2021；Zbl 1506.74022）
全文： 内政部 arXiv公司

参考文献：

[1] 拉古达斯，D.C.，《形状记忆合金：建模和工程应用》（2008），施普林格：柏林施普林格出版社·Zbl 1225.74005号
[2] Auricchio，F。；Taylor，R.L.，形状记忆合金：有限应变超弹性行为的建模和数值模拟，计算。方法应用。机械。工程，143、96、175-194（1997）·Zbl 0891.73027号
[3] Auricchio，F。；Taylor，R.L。；Lubliner，J.，《形状记忆合金：超弹性行为的宏观建模和数值模拟》，计算。方法应用。机械。工程，146、96、281-312（1997）·Zbl 0898.73019号
[4] 帕托尔，E。；拉古达斯，哥伦比亚特区。；恩切夫，P.B。；布林森，L.C。；Gao，X.，形状记忆合金，第一部分：单晶的一般性质和建模，机械。材料。，38, 5-6, 391-429 (2006)
[5] 自由，Y。；Banks Sills，L.，通过内聚区模型研究形状记忆合金的裂纹扩展阻力，J.机械。物理。固体，55，10，2157-2180（2007）·Zbl 1173.74038号
[6] 罗伯逊，S.W。；Pelton，A.R。；Ritchie，R.O.，《Nitinol的机械疲劳和断裂》，国际材料。版次：57、1、1-36（2012）
[7] Baxevanis，T。；拉古达斯，D.C.，《形状记忆合金的断裂力学：回顾与展望》，国际分形杂志。，191, 1-2, 191-213 (2015)
[8] McKelvey，A.L。；Ritchie，R.O.，超弹性和形状记忆合金镍钛合金中的疲劳裂纹增长行为，金属。马特。事务处理。A、 32、13、731-743（2001）
[9] Gollerthan，S。；杨，M.L。；纽金，K。；拉马默蒂，美国。；Eggeler，G.，伪弹性NiTi形状记忆合金裂纹附近应力诱发马氏体反向转变的直接物理证据，材料学报。，57, 19, 5892-5897 (2009)
[10] Robertson，S.W。；梅塔，A。；Pelton，A.R。；Ritchie，R.O.，《原位疲劳下超弹性Nitinol中裂纹转变区的演变：断裂力学和同步辐射X射线微衍射分析》，《材料学报》。，55, 18, 6198-6207 (2007)
[11] Daymond，M.R。；杨，M.L。；Almer，J.D。；Dunand，D.C.，马氏体形状记忆NiTi裂纹尖端机械加载期间的应变和织构演变，材料学报。，55, 11, 3929-3942 (2007)
[12] Robertson，S.W。；Ritchie，R.O.，《血管内支架用薄壁超弹性Nitinol管的体外疲劳裂纹生长和断裂韧性行为：定义裂纹状缺陷影响的基础》，生物材料，28，4，700-709（2007）
[13] 哈古扬，B。；Hayrettin，C。；Baxevanis，T。；卡拉曼，I。；Lagoudas，D.C.，《镍钛合金断裂韧性——建立相变材料标准试验方法》，《材料学报》。，162226-238（2019）
[14] Baxevanis，T。；A.F.帕里内洛。；Lagoudas，D.C.，《关于形状记忆合金中应力诱导相变引起的断裂韧性增强》，Int.J.Plast。，50, 158-169 (2013)
[15] Baxevanis，T。；兰迪斯，C.M。；Lagoudas，D.C.，关于假弹性形状记忆合金的断裂韧性，J.Appl。机械。事务处理。ASME，81、4、1-8（2014）
[16] 卡里米，M。；Bayesteh，H。；Mohammadi，S.，《SMA纤维增强复合材料裂纹密封分析的自适应内聚方法》，计算。方法应用。机械。工程，349，550-575（2019）·Zbl 1441.74251号
[17] Griffith，A.，《固体破裂和流动现象》，Philos。事务处理。A、 221163-198（1920）·Zbl 1454.74137号
[18] Francfort，G。；Marigo，J.-J.，《将脆性断裂重新视为能量最小化问题》，J.Mech。物理。固体，46，8，1319-1342（1998）·Zbl 0966.74060号
[19] 布尔丁，B。；Francfort，G.A。；Marigo，J.J.，重温脆性断裂的数值实验，J.Mech。物理。固体，48，4，797-826（2000）·Zbl 0995.74057号
[20] Borden，M.J。；Verhoosel，C.V。；斯科特，医学硕士。；休斯·T·J·R。；Landis，C.M.，动态脆性断裂的相场描述，计算。方法应用。机械。工程，217-220，77-95（2012）·Zbl 1253.74089号
[21] Borden，M.J。；休斯·T·J·R。；兰迪斯，C.M。；Anvari，A。；Lee，I.J.，《延性材料断裂的相场公式：有限变形平衡定律推导、塑性退化和应力三轴效应》，计算。方法应用。机械。工程，312130-166（2016）·Zbl 1439.74343号
[22] McAuliffe，C。；Waisman，H.，缺口板冲击中管道-脆性转变的耦合相场剪切带模型，计算。方法应用。机械。工程，305173-195（2016）·Zbl 1425.74352号
[23] Kristensen，P.K。；Martínez-Pañeda，E.，使用准Newton方法和新的自适应步长方案Theor进行相场裂缝建模。申请。分形。机械。，107，第102446条pp.（2020）
[24] Hirshikesh，P.K。；Natarajan，S。；Annabattula，R.K。；Martínez-Pañeda，E.，功能梯度材料中裂纹扩展的相场模拟，复合材料B，169，239-248（2019）
[25] Hirshikesh，P.K。；马丁内斯·帕涅达，E。；Natarajan，S.，正交各向异性功能梯度材料裂纹扩展的自适应相场建模，Def.Technol。（2021年），（印刷中）
[26] 金塔纳斯·科诺米斯（Quintanas-Corominas），A。；雷诺索，J。；卡索尼，E。；Turon，A。；Mayugo，J.A.，《模拟长纤维复合材料层内和跨层断裂的相场方法》，Compos。结构。，220, 899-911 (2019)
[27] 金塔纳斯·科诺米斯（Quintanas-Corominas），A。；图伦，A。；雷诺索，J。；卡索尼，E。；Paggi，M。；Mayugo，J.A.，用内聚区模型增强的相场方法，用于模拟基体开裂引起的分层，计算。方法应用。机械。工程师，358，第112618条，第（2020）页·Zbl 1441.74195号
[28] Paggi，M。；Corrado，M。；Reinoso，J.，《太阳能级各向异性多晶硅的断裂：相场结合区模型方法》，计算机。方法应用。机械。工程，330123-148（2018）·Zbl 1439.74366号
[29] 马丁内斯·帕涅达，E。；Golahmar，A。；Niordson，C.F.，氢辅助裂化的相场公式，计算。方法应用。机械。工程，342742-761（2018）·Zbl 1440.82005年
[30] Wu，J.-Y。；Mandal，T.K。；Nguyen，V.P.，氢辅助开裂的相场正则化粘结区模型，计算。方法应用。机械。工程，358，第112614条pp.（2020）·Zbl 1441.74219号
[31] 马丁内斯·帕涅达，E。；哈里斯，Z.D。；Fuentes-Alonso，S。；斯库利，J.R。；Burns，J.T.，《关于评估氢脆敏感性的慢应变速率拉伸试验的适用性》，Corros。科学。，第163条，第108291页（2020年）
[32] 周，S。；庄，X。；Rabczuk，T.，类岩石材料中脆性压剪断裂的相场模拟：新驱动力和混合公式，计算。方法应用。机械。工程，355729-752（2019）·Zbl 1441.74223号
[33] 舒勒，L。；Ilgen，A.G。；Newell，P.，溶解辅助断裂的化学-机械相场模拟，计算机。方法应用。机械。工程，362，第112838条pp.（2020）·Zbl 1439.74126号
[34] Lo，Y.S。；Borden，M.J。；拉维·钱达尔，K。；Landis，C.M.，疲劳裂纹扩展的相场模型，J.Mech。物理。固体，132，第103684条pp.（2019）·Zbl 1480.74019号
[35] 卡拉拉，P。；Ambati，M。；阿莱西·R。；De Lorenzis，L.，基于变分相场方法的脆性材料疲劳行为建模框架，计算。方法应用。机械。工程，361，第112731条pp.（2020）·兹比尔1442.74195
[36] Wu，J.-Y。；Nguyen，V.P。；Nguyen，C.T。；Sutula，D。；西奈，S。；Bordas，S.，裂缝的相场建模，高级应用。机械。，53 (2020)
[37] Pham，K。；阿莫尔，H。；Marigo，J.J。；Maurini，C.，梯度损伤模型及其用于近似脆性断裂，国际损伤力学杂志。，20, 4, 618-652 (2011)
[38] Ambrosio，L。；Tortorelli，V.M.，椭圆泛函通过伽马收敛对基于跳跃的泛函的逼近，Comm.Pure Appl。数学。，43, 1990, 999-1036 (1991) ·Zbl 0722.49020号
[39] 博伊德·J·G。；Lagoudas，D.C.，形状记忆材料的热力学本构模型。第一部分：整体形状记忆合金，国际塑料杂志。，12, 6, 805-842 (1996) ·兹伯利0898.73020
[40] 拉古达斯，哥伦比亚特区。；波，Z。；Qidwai，M.A.，SMA的统一热力学本构模型和活性金属基复合材料的有限元分析，Mech。作曲。马特。结构。，153-179年3月2日（1996年）
[41] Hartl，D.J。；穆尼，J.T。；拉古达斯，哥伦比亚特区。；卡尔金斯，F.T。；Mabe，J.H.，Ni60Ti形状记忆合金在主动喷气发动机V型应用中的应用：II。经实验验证的数值分析，Smart Mater。结构。，19, 1 (2010)
[42] 拉古达斯，哥伦比亚特区。；哈特尔，D。；Chemisky，Y。；麦克哈多，L。；Popov，P.，《多晶形状记忆合金相变数值分析的本构模型》，国际J.Plast。，32-33, 155-183 (2012)
[43] Miehe，C。；霍法克，M。；Welschinger，F.，速率相关裂纹扩展的相场模型：基于算子分裂的稳健算法实现，计算。方法应用。机械。工程，199，45-48，2765-2778（2010）·Zbl 1231.74022号
[44] Tanné，E。；李·T。；布尔丁，B。；马里戈，J.-J。；Maurini，C.，脆性断裂变相场模型中的裂纹形核，J.Mech。物理。固体，110，80-99（2018）
[45] Orowan，E.，《固体的断裂和强度》，报告进展。物理。，十二、 185（1948）
[46] Wu，J.-Y.，损伤和准脆性破坏力学的统一相场理论，J.Mech。物理。固体，103，72-99（2017）
[47] Mandal，T.K。；Nguyen，V.P。；Wu，J.Y.，《脆性和内聚断裂相场模型的长度尺度和网格偏差敏感性》，《工程分形》。机械。，217，第106532条pp.（2019）
[48] 阿莱西·R。；维多利，S。；De Lorenzis，L.，用变分相场模型研究疲劳的现象学方法：一维情况，工程分形。机械。，190, 53-73 (2018)
[49] Nguyen，T.T.（阮，T.T.）。；Waldmann，D。；Bui，T.Q.，水泥基材料早期收缩和水化热引起的复杂断裂的计算化学-热-机械耦合相场模型，计算。方法应用。机械。工程，348，1-28（2019）·Zbl 1440.74361号
[50] 诺伊，N。；Wick，T.，加压和非等温扩展断裂的相场描述，计算。方法应用。机械。工程，351860-890（2019）·Zbl 1441.74213号
[51] 帕帕扎菲罗普洛斯，G。；穆尼斯·卡文特，M。；Martínez-Pañeda，E.，Abaqus2Matlab:有限元后处理的合适工具，高级工程软件。，105, 9-16 (2017)
[52] 奇德韦，医学硕士。；Lagoudas，D.C.，使用返回映射算法对形状记忆合金热机械本构模型进行数值实现，国际。J.数字。方法工程，47，6，1123-1168（2000）·Zbl 0960.74067号
[53] 奥尔蒂斯，M。；Simo，J.C.，弹塑性本构关系的一类新积分算法分析，国际。J.数字。方法工程，23，3，353-366（1986）·Zbl 0585.73058号
[54] Simo，J.C。；Hughes，T.J.R.，《计算非弹性》，第7卷（2006），Springer科学与商业媒体：Springer科技与商业媒体，纽约州纽约市
[55] 阿莱西·R。；Ambati，M。；Gerasimov，T。；维多利，S。；De Lorenzis，L.，断裂与塑性耦合的相场模型比较，（E.Oñate，D.Peric，E.De Souza-Neto，M.C.，计算塑性进展（2018），Springer Nature），1-21·Zbl 1493.74006号
[56] 阿莫尔，H。；Marigo，J.J。；Maurini，C.，单边接触变分脆性断裂的正则化公式：数值实验，J.Mech。物理。固体，57，8，1209-1229（2009）·Zbl 1426.74257号
[57] Ambati，M。；Gerasimov，T。；De Lorenzis，L.，《脆性断裂的相场模型和新的快速混合公式综述》，计算。机械。，55, 383-405 (2015) ·Zbl 1398.74270号
[58] Wu，J.-Y。；黄，Y。；Nguyen，V.P.，关于统一相场损伤理论的BFGS单片算法，计算。方法应用。机械。工程，360，第112704条pp.（2020）·Zbl 1441.74196号
[59] 斯特纳德，B。；Ohashi，S。；大冢，H。；宫崎骏，S。；Ishihara，T.，机械循环对TiNi和TiNiCu合金假弹性特性的影响，Mater。科学。工程师A，203，1-2，187-196（1995）
[60] 哈古扬，B。；Hayrettin，C。；Baxevanis，T。；卡拉曼，I。；拉古达斯，D.C.，关于形状记忆合金断裂韧性的实验评估，（TMS年会与展览（2018），斯普林格），565-573
[61] Williams，M.L.，《关于静止裂纹底部的应力分布》，J.Appl。机械。，24, 109-114 (1957) ·Zbl 0077.37902号
[62] 马丁内斯·帕涅达，E。；Gallego，R.，功能梯度材料准静态断裂的数值分析，国际力学杂志。马特。设计。，11, 4, 405-424 (2015)
[63] Tvergaard，V。；Hutchinson，J.W.，《弹塑性固体中裂纹扩展阻力与断裂过程参数之间的关系》，J.Mech。物理。固体，40，6，1377-1397（1992）·Zbl 0775.73218号
[64] 马丁内斯·帕涅达，E。；Deshpande，V.S。；Niordson，C.F。；Fleck，N.A.，《塑性应变梯度在金属裂纹扩展阻力中的作用》，J.Mech。物理。固体，126136-150（2019）
[65] Kristensen，P.K。；Niordson，C.F。；Martínez-Pañeda，E.，经历氢脆的弹塑性固体的相场模型，J.Mech。物理。固体，143，第104093条pp.（2020）
[66] 马丁内斯·帕涅达，E。；Fleck，N.A.，《金属合金中的裂纹扩展阻力：各向同性与运动硬化的作用》，J.Appl。机械。，85，第11002条，pp.（2018），6页
[67] Juul，K.J。；马丁内斯·帕涅达，E。；尼尔森，K.L。；Niordson，C.F.，《弹塑性固体的稳态断裂韧性：各向同性与运动硬化》，《工程分形》。机械。，207, 254-268 (2019)
[68] Molnár，G。；Gravouil，A。；Seghir，R。；Réthoré，J.，研究动态裂纹扩展中塑性对瞬时断裂韧度影响的相场方法的开源abaqus实现，计算。方法应用。机械。工程，365，第113004条pp.（2020）·Zbl 1442.74211号
[69] Reese，S。；贝尔，M。；Christ，D.，形状记忆聚合物支架的基于有限元的多相建模，计算机。方法应用。机械。工程，199，21-22，1276-1286（2010）·兹比尔1227.74092
[70] Frischkorn，J。；Reese，S.，镍钛合金支架的实体-梁有限元分析，计算机。方法应用。机械。工程，291，42-63（2015）·Zbl 1423.74478号
[71] Auricchio，F。；康蒂，M。；费拉罗，M。；摩根蒂，S。；Reali，A。；Taylor，R.L.，基于等几何分析的创新高效支架柔性模拟，计算。方法应用。机械。工程，295347-361（2015）·Zbl 1423.76204号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。