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A phase field model for cyclic fatigue

Yan, Sikang (2024)
A phase field model for cyclic fatigue.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028817
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Fatigue failure is one of the most crucial issues in manufacturing processes and engineering applications. Stress or displacement cycles can cause cracks to form and grow over time, eventually leading to structural failure. To avoid these failures, predicting fatigue crack evolution behavior in advance is important. In the past decade, the phase field method for fatigue analysis has drawn much attention. The biggest advantage of the phase field model is its uniform description of all crack evolution scenarios by one evolution equation. It has been shown that the phase field fatigue model can reproduce the most important fatigue properties and predict the crack growth path; however, it still comes up short of some complex problems in the industry. The first drawback of the phase field fatigue model is its intense computational cost since fatigue fracture usually happens after thousands of repeated cycles. In order to keep the simulation time within a reasonable limit, the cycle number increment is therefore adaptively chosen in the phase field simulation. Following that, we show that the phase field fatigue model can simulate complex loading situations including different loading temperatures and frequencies. We also extended the phase field model for thermomechanical fatigue, in which an additional fatigue driving force is considered. It is known that the phase field model is based on an energetic formulation, which can not be easily understood straightforwardly. Thus, we take the idea of configurational forces and provide a simple way to explain the energetic driving forces in the phase field fatigue simulation.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Yan, Sikang
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: A phase field model for cyclic fatigue
Sprache: Englisch
Referenten: Müller, Prof. Dr. Ralf ; Dornisch, Prof. Dr. Wolfgang
Publikationsjahr: 5 Dezember 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: 117 Seiten in verschiedenen Zählungen
Datum der mündlichen Prüfung: 26 September 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028817
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/28817
Kurzbeschreibung (Abstract):

Fatigue failure is one of the most crucial issues in manufacturing processes and engineering applications. Stress or displacement cycles can cause cracks to form and grow over time, eventually leading to structural failure. To avoid these failures, predicting fatigue crack evolution behavior in advance is important. In the past decade, the phase field method for fatigue analysis has drawn much attention. The biggest advantage of the phase field model is its uniform description of all crack evolution scenarios by one evolution equation. It has been shown that the phase field fatigue model can reproduce the most important fatigue properties and predict the crack growth path; however, it still comes up short of some complex problems in the industry. The first drawback of the phase field fatigue model is its intense computational cost since fatigue fracture usually happens after thousands of repeated cycles. In order to keep the simulation time within a reasonable limit, the cycle number increment is therefore adaptively chosen in the phase field simulation. Following that, we show that the phase field fatigue model can simulate complex loading situations including different loading temperatures and frequencies. We also extended the phase field model for thermomechanical fatigue, in which an additional fatigue driving force is considered. It is known that the phase field model is based on an energetic formulation, which can not be easily understood straightforwardly. Thus, we take the idea of configurational forces and provide a simple way to explain the energetic driving forces in the phase field fatigue simulation.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Ermüdungsversagen ist eines der entscheidenden Probleme in Fertigungsprozesse und Ingenieuranwendungen. Spannungs- oder Verschiebungszyklen können dazu führen, dass Risse im Laufe der Zeit entstehen und wachsen, was schließlich zu einem strukturellen Versagen führt. Um solche Ausfälle zu vermeiden, ist es wichtig, das Verhalten der Ermüdungsrissentwicklung im Voraus vorherzusagen. In den letzten zehn Jahren hat die Phasenfeldmethode für die Ermüdungsanalyse viel Aufmerksamkeit erregt. Der größte Vorteil des Phasenfeldmodells besteht darin, dass alle Rissentwicklungsszenarien durch eine Evolutionsgleichung einheitlich beschrieben werden können. Es wurde gezeigt, dass das Phasenfeld-Ermüdungsmodell die wichtigsten Ermüdungseigenschaften reproduzieren und den Risswachstumspfad vorhersagen kann; dennoch hat es bei einigen komplexen Problemen in der Industrie noch Schwächen. Der erste Nachteil des Phasenfeld- Ermüdungsmodells ist sein hoher Rechenaufwand, da Ermüdungsbrüche normalerweise nach Tausenden von wiederholten Zyklen auftreten. Um die Simulationszeit in einem vernünftigen Rahmen zu halten, wird das Zyklenzahlinkrement in der Phasenfeldsimulation adaptiv gewählt. Im Anschluss zeigen wir, dass das Phasenfeld-Ermüdungsmodell komplexe Belastungssituationen simulieren kann, einschließlich unterschiedlicher Belastungstemperaturen und -frequenzen. Wir haben das Phasenfeldmodell auch auf thermomechanische Ermüdung erweitert, bei der eine zusätzliche Treibkraft berücksichtigt wird. Es ist bekannt, dass das Phasenfeldmodell auf einer energetischen Formulierung basiert, die nicht leicht verständlich ist. Daher greifen wir die Idee der Konfigurationskräfte auf und bieten eine einfache Möglichkeit, die energetischen Triebskräfte in der Phasenfeldsermüdungssimulation zu erklären.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-288174
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Fachgebiete der Mechanik
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Fachgebiete der Mechanik > Fachgebiet Kontinuumsmechanik
Hinterlegungsdatum: 05 Dez 2024 13:07
Letzte Änderung: 06 Dez 2024 10:39
PPN:
Referenten: Müller, Prof. Dr. Ralf ; Dornisch, Prof. Dr. Wolfgang
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 26 September 2024
Export:
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