Extending the XFEM approach for fast transient three-dimensional crack propagation in ductile materials
Description
This PhD thesis presents numerical methods is dedicated to three-dimensional crack propagation in the framework of fast explicit structural dynamics using EUROPLEXUS software (currently abbreviated EPX, co-owned by CEA and EC/JRC). An approach based on the well-known XFEM method is proposed, representing the crack through level set functions. Special care is given to the update of the level set functions from the propagation velocity expressed on the crack edge, since the most widely used method based on the solution of Hamilton-Jacobi equations lacks robustness for fast transient crack propagations, even when level-sets are computed on an auxiliary regular finite difference grid. It is therefore chosen instead to implement a 3D approximated geometric method to update both level-sets. As far as failure mechanics is concerned, a local stress criterion on the edge of the crack, first developed by Haboussa et al., gives characteristic parameters of the material fracture. Mechanical equivalent quantities (strain, deformation) around the crack front are weighted by a Gaussian function, which gives more importance to Gauss integration points located near the crack tip. The maximum of the equivalent stress tensor near the crack tip gives the direction of the crack, and the Kanninen equation gives the crack velocity. Besides, because of the discontinuous displacement field, the numerical integration for elements cut by the crack yields performance issues. Increasing the number of quadrature points is CPU time consuming and quite hard to handle if it is chosen to change the number of points only for elements in the vicinity of the crack. Another approach tested here consists in keeping constant the number and position of quadrature points and modifying their weights in cut elements to obtain an accurate integration of several reference discontinuous fields. The proposed methods are tested and validated on significant examples, both two-dimensional, to ensure the backward compatibility with the existing 2D-restricted formalism in EPX, and three-dimensional, to illustrate the new capabilities of the program. (author)
Abstract (French)
La presente these de doctorat est dediee a la propagation de fissure tridimensionnelle dans le cadre de la dynamique rapide des structures avec integration temporelle explicite avec le logiciel de simulation EUROPLEXUS (couramment abrege EPX, copropriete du CEA et de la Commission Europeenne, via le JRC/Ispra). Une approche fondee sur la methode XFEM bien connue est proposee, avec une representation de la fissure a l'aide de fonctions de niveau (level set functions). Une attention particuliere est apportee avec la mise a jour des fonctions de niveau, correspondant a l'extension de la vitesse d'avancee calculee sur le front de la fissure. La methode la plus couramment utilisee, reposant sur la resolution d'Hamilton-Jacobi, manque de robustesse pour des propagations en dynamique rapide et il est ainsi choisi de recourir plutot a une methode geometrique 3D approchee pour cette tache, en maitrisant rigoureusement les consequences de la perte de certaines proprietes par les fonctions. En ce qui concerne la mecanique de la rupture, un critere local en contrainte est utilise, initialement mis au point par Haboussa et al., donnant les parametres caracteristiques de la fissuration. Les quantites mecaniques equivalentes necessaires a l'evaluation du critere (deformation et contrainte) sont obtenues au voisinage du front de fissure a l'aide d'une moyenne ponderee donnant une importance plus elevee aux points de gauss les plus proches du front. La direction de la contrainte equivalente maximale donne la direction de la propagation et la formule de Kanninen classique donne la vitesse d'avancee de la fissure. De plus, en raison de la discontinuite du champ de deplacement, l'integration numerique sur les elements coupes par la fissure conduit aisement a des problemes de performance. L'augmentation du nombre de points d'integration est consommateur en temps CPU et peut s'averer difficile a gerer si le choix est fait de modifier le nombre de points uniquement pour les elements au voisinage de la fissure. Une nouvelle approche est testee, consistant a conserver un nombre de points constant et en modifiant les poids associes pour verifier l'integration precise de plusieurs champs discontinus de reference. Les methodes proposees sont testees et validees sur des exemples significatifs, aussi bien bidimensionnels pour assurer la compatibilite avec le formalisme existant (restreint au cas 2D) dans EPX, que tridimensionnels pour illustrer les nouvelles capacites du programme
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Extension de l'approche XFEM en dynamique rapide pour la propagation tridimensionnelle de fissure dans les materiaux ductiles
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 193 p.
- Report number
- FRCEA-TH--5939
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 46012709
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- COMPUTERIZED SIMULATION; CRACK PROPAGATION; CRACKING; DUCTILITY; FAILURES; RUPTURES
- Descriptors DEC
- CHEMICAL REACTIONS; DECOMPOSITION; FAILURES; MECHANICAL PROPERTIES; PYROLYSIS; SIMULATION; TENSILE PROPERTIES; THERMOCHEMICAL PROCESSES
Optional Information
- Notes
- 67 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from SCD Doc'INSA 31 avenue Jean Capelle, 69621 Villeurbanne (France)
- Secondary number(s)
- CEA-R--6380