Determinação da resistência mecânica de materiais porosos plasticamente ortotrópicos via homogeneização computacional
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Manancial - Repositório Digital da UFSM |
Texto Completo: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/29250 |
Resumo: | This work evaluates the strength of porous elastoplastic materials with orthotropic matrix, which is assumed to be insensitive to both the mean stress and the strain rate, via computational homogenization procedure. The simulations are carried out on cubic elementary cells, employing the finite element method under small strains. Each elementary cell represents an agregate composed of a non-hardening elastoplastic matrix with symmetrically distributed voids (spherical or cylindrical), considering distinct porosity and matrix anisotopy levels. From the numerical analysis, effective yield surfaces are build imposing displacement-based boundary conditions while keeping the macroscopic stress triaxiality constant throughout the deformation process. After reaching an asymptotic macroscopic stress state, the macroscopic stress components are calculated from standard volume average from their microscopic counterpart. The numerical results are compared with analytical solutions (upper, quasi-lower and lower limits) available in the literature and one developed in the context of this work to materials with Hill matrix and cylindrical voids. Furthermore, aiming at reducing the difference between the numerical and theoretical results, which is due to difference regarding the geometry of both numerical and theoretical eleementary cells, heuristic modifications are proposed to the analytical models. Therefore, it is expected that this work contributes to the understanding regarding the mechanical behavior of porous material with plasticaly anisotropic matrix, which for instance, is the case of materials and structures produced by additive manufacturing. |
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Determinação da resistência mecânica de materiais porosos plasticamente ortotrópicos via homogeneização computacionalDetermination of the strength of plastically orthotropic porous materials via computational homogenizationPlasticidadeMateriais porososMateriais anisotrópicosHomogeneização computacionalMétodo dos elementos finitosPlasticityPorous materialAnisotropic materialComputational homogenizationFinite element methodCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAThis work evaluates the strength of porous elastoplastic materials with orthotropic matrix, which is assumed to be insensitive to both the mean stress and the strain rate, via computational homogenization procedure. The simulations are carried out on cubic elementary cells, employing the finite element method under small strains. Each elementary cell represents an agregate composed of a non-hardening elastoplastic matrix with symmetrically distributed voids (spherical or cylindrical), considering distinct porosity and matrix anisotopy levels. From the numerical analysis, effective yield surfaces are build imposing displacement-based boundary conditions while keeping the macroscopic stress triaxiality constant throughout the deformation process. After reaching an asymptotic macroscopic stress state, the macroscopic stress components are calculated from standard volume average from their microscopic counterpart. The numerical results are compared with analytical solutions (upper, quasi-lower and lower limits) available in the literature and one developed in the context of this work to materials with Hill matrix and cylindrical voids. Furthermore, aiming at reducing the difference between the numerical and theoretical results, which is due to difference regarding the geometry of both numerical and theoretical eleementary cells, heuristic modifications are proposed to the analytical models. Therefore, it is expected that this work contributes to the understanding regarding the mechanical behavior of porous material with plasticaly anisotropic matrix, which for instance, is the case of materials and structures produced by additive manufacturing.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESEste trabalho avalia a resistência mecânica de materiais porosos plasticamente ortotrópicos, com matrizes insensíveis à pressão hidrostática e à taxa de deformação via homogeneização computacional. As simulações numéricas são realizadas a partir da análise de células elementares cúbicas utilizando o método dos elementos finitos no regime de pequenas deformações. Cada célula elementar analisada representa um agregado composto por uma matriz elastoplástica sem endurecimento e um poro simetricamente distribuído (esférico e cilíndrico), considerando diferentes níveis de porosidade e anisotropia. A partir das análises numéricas, são construídas as superfícies de escoamento efetivas impondo condições de contorno em termos de deslocamentos, tal que a triaxialidade de tensão macroscópica seja mantida constante ao longo do processo de deformação e, após atingir um estado de tensão macroscópico assintótico, as componentes de tensões macroscópicas são calculadas utilizando a média volumétrica de sua contraparte microscópica. Os resultados numéricos são comparados com soluções analíticas (limites superiores, quase inferiores e inferiores) disponíveis na literatura e uma desenvolvida no contexto desse trabalho para materiais com matriz de Hill e poros cilíndricos. Além disso, com objetivo de reduzir a diferença entre os resultados numéricos e teóricos, o que ocorre principalmente em função da geometria da célula unitária, são propostas modificações empíricas dos modelos analíticos. Sendo assim, espera-se que esse estudo contribua no entendimento do comportamento mecânico de materiais porosos com matriz plasticamente anisotrópica, como é o caso de materiais e estruturas produzidas por manufatura aditiva.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia MecânicaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaCentro de TecnologiaSantos, Tiago doshttp://lattes.cnpq.br/2241262071800920Rossi, RodrigoRodriguez, Rene QuispeMaghous, SamirGalvão, Marcio Nilo Teodoro2023-05-30T18:33:58Z2023-05-30T18:33:58Z2023-02-14info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/29250porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2023-05-30T18:33:59Zoai:repositorio.ufsm.br:1/29250Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/ONGhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.comopendoar:2023-05-30T18:33:59Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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This work evaluates the strength of porous elastoplastic materials with orthotropic matrix, which is assumed to be insensitive to both the mean stress and the strain rate, via computational homogenization procedure. The simulations are carried out on cubic elementary cells, employing the finite element method under small strains. Each elementary cell represents an agregate composed of a non-hardening elastoplastic matrix with symmetrically distributed voids (spherical or cylindrical), considering distinct porosity and matrix anisotopy levels. From the numerical analysis, effective yield surfaces are build imposing displacement-based boundary conditions while keeping the macroscopic stress triaxiality constant throughout the deformation process. After reaching an asymptotic macroscopic stress state, the macroscopic stress components are calculated from standard volume average from their microscopic counterpart. The numerical results are compared with analytical solutions (upper, quasi-lower and lower limits) available in the literature and one developed in the context of this work to materials with Hill matrix and cylindrical voids. Furthermore, aiming at reducing the difference between the numerical and theoretical results, which is due to difference regarding the geometry of both numerical and theoretical eleementary cells, heuristic modifications are proposed to the analytical models. Therefore, it is expected that this work contributes to the understanding regarding the mechanical behavior of porous material with plasticaly anisotropic matrix, which for instance, is the case of materials and structures produced by additive manufacturing. |
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