Numerical simulation of fatigue processes : application to steel and composite structures

Abstract

The present thesis aims at advancing an innovative computational methodology that simulates steel and composite material fracture under cyclic loading following a phenomenological approach, with calibration from both small scale and large scale testing. This work addresses fatigue processes ranging from high cycle to ultra-low-cycle fatigue. An assessment of the current state of the art is done for all the different fatigue types. Following, for ultra-low cycle fatigue a new constitutive law is proposed and validated with experimental results obtained on small scale samples. Industrial applications are shown for a large diameter straight pipe under monotonic loading conditions and for a bent pipe under cyclic loading. Emphasis is made on the capacity of the model to represent different failure modes depending on the loading conditions. The research regarding this part has been used in the frame of the European Project: ¿Ultra low cycle fatigue of steel under cyclic high-strain loading conditions¿ (ULCF). Regarding high cycle fatigue, a classic damage model is presented in combination with an automatic load advancing strategy that saves computational time when dealing with load histories of millions of cycles. Numerical examples are shown in order to demonstrate the capabilities of the advancing strategy and a validation of the model is done on small scale samples. A new constitutive model is presented for Low Cycle Fatigue that uses the classic plasticity and damage theories and simultaneously integrates both processes in the softening regime. The capabilities of the model are shown in numerical examples. Finally, the high cycle fatigue damage model is applied to the constituents of a composite material and the structural behaviour is obtained by means of the serial/parallel rule of mixtures. Validation of the constitutive formulation is done on pultruded glass fiber reinforced polymer profiles.

La presente tesis propone una metodología innovadora para la simulación numérica de la rotura de materiales metálicos y compuestos sometidos a cargas cíclicas. El enfoque es fenomenológico y la formulación se calibra con resultados experimentales obtenidos en especímenes a pequeña escala y con experimentos a gran escala. Este trabajo abarca procesos de fatiga desde alto número de ciclos hasta muy bajo número de ciclos. Una evaluación del estado del arte hasta el momento se ha llevado a cabo para los diferentes tipos de fatiga. A continuación, se propone una nueva ley constitutiva para la fatiga de muy bajo número de ciclos y se presenta la validación con resultados experimentales obtenidos en especímenes a escala pequeña. El modelo constitutivo se ha probado en dos aplicaciones industriales: una tubería de gran diámetro bajo condiciones de carga monótonas y una tubería doblada a un ángulo de 90 grados sometida a cargas cíclicas. Se ha enfatizado la capacidad del modelo de reproducir diferentes modos de rotura dependiendo de las condiciones de carga. El trabajo referente a este modelo se ha usado en el marco del proyecto europeo: ¿Fatiga de muy bajo número de ciclos del acero bajo grandes deformaciones cíclicas¿. Respecto a la fatiga de alto número de ciclos, se presenta un modelo clásico de daño combinado con una estrategia automatizada de avance en la carga por número de ciclos. La estrategia conduce a un ahorro en tiempo de computación cuando se aplican millones de ciclos de carga. Las capacidades y particularidades de la estrategia de avance en la carga se enseñan en una serie de ejemplos numéricos. El modelo se valida con resultados experimentales obtenidos en especímenes a pequeña escala. Un nuevo modelo constitutivo se presenta para la fatiga de bajo número de ciclos que se basa en las teorías básicas de plasticidad y daño y que integra simultáneamente las ecuaciones de ambos procesos en el régimen de ablandamiento. Las capacidades del modelo se enseñan a través de ejemplos numéricos. Finalmente, se estudia la aplicación del modelo de daño para fatiga de alto número de ciclos en los componentes de materiales compuestos. El comportamiento estructural del material compuesto se obtiene a través de la teoría de mezclas serie/paralelo. La formulación se valida con resultados experimentales obtenidos en perfiles de GFRP.