Implementación de un modelo de fractura ortótropo en Phase-Field incluyendo distintos mecanismos de fallo
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Resumen
La predicción del fallo en materiales compuestos se ha convertido en un campo de gran importancia debido al creciente uso de los mismos. Uno de los mayores incrementos se encuentra en el sector aeronáutico, donde debido a sus magníficas propiedades específicas se convierten en candidatos ideales para la fabricación de aeronaves. Los altos estándares de seguridad requeridos en dicho sector hacen necesaria una profunda comprensión de los mecanismos de fallo de los mismos. Los ensayos experimentales destructivos son muy costosos económicamente, por lo que en la actualidad se trabaja en modelos numéricos con alta capacidad predictiva.
Dentro de los modelos numéricos, en este trabajo se ha seleccionado el enfoque variacional de fractura Phase-Field para modelizar el fallo de este tipo de materiales. Este modelo consiste en la representación de las grietas mediante una variable continua regularizada a lo largo de una longitud característica. La formulación original de dicho modelo únicamente es válida para materiales cuya respuesta a la fractura sea isótropa (i.e. su resistencia a la fractura no dependa de la orientación de la misma). Por lo tanto, es necesaria una extensión a materiales cuya tenacidad sea anisótropa. En la literatura, existen dos formas de considerar la respuesta anisótropa de la fractura en Phase-Field: mediante anisotropía de las propiedades resistentes cambiando la longitud característica por un tensor estructural característico conservando una única variable de Phase-Field o utilizando diversas variables de Phase-Field (una variable y una tenacidad por mecanismo de fallo) y realizando una degradación anisótropa de las propiedades constitutivas del material. La segunda opción ha sido seleccionada en este trabajo. Además, debido a la imposibilidad de implementar una variable histórica que evite la disminución de daño en este modelo, se ha optado por imponer una restricción del crecimiento del daño mediante multiplicadores de Lagrange. La implementación se ha llevado a cabo en el software de elementos finitos Abaqus mediante una combinación de subrutinas UEL y UMAT para materiales ortótropos. Este enfoque permite capturar de forma más precisa los distintos mecanismos de fallo y propagación de las grietas que en el caso de conservar una única variable de Phase-Field.
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