Metodología experimental para determinar parámetros de fractura en simulaciones basadas en el método phase-field

Resumen

La relevancia del método phase-field se ha visto incrementada en simulaciones de la mecánica de la fractura para predecir la propagación de grieta a partir de un problema de minimización del balance de la energía relativamente simple. Sin embargo, este método computacional requiere que ciertos parámetros, como la tasa de liberación de energía crítica y la longitud característica, se definan previamente. Por ello, se presenta una metodología experimental a partir de ensayos de tracción uniaxial para caracterizar mecánicamente el material estudiado y determinar los parámetros de fractura necesarios para el modelo numérico.

En primer lugar, para los ensayos experimentales se fabricaron probetas de tracción con y sin entalla mediante extrusión de material (o impresión 3D). En el proceso se utilizó filamento de ácido poliláctico y se aplicaron distintas configuraciones para analizar su influencia sobre los mecanismos de fractura y reducir defectos de impresión. Por otro lado, se desarrolló una herramienta numérica predictiva de código abierto basada en el modelo phase-field de fractura, empleando los parámetros obtenidos experimentalmente. Aparte, se evaluaron el efecto del parámetro de longitud característica sobre los resultados numéricos y la implementación de diferentes mejoras en el modelo para su optimización.

Los parámetros obtenidos a partir de los ensayos experimentales fueron validados con la literatura. Además, las simulaciones confirmaron la fiabilidad de la metodología experimental-numérica propuesta. En general, se obtuvieron resultados numéricos con errores relativos por debajo del 10 %. Por último, el método presentado permite su aplicación de forma sencilla para otros materiales y estudios.