Simulation of indentation tests by finite discrete element coupling

Indentation tests are widely used to calibrate the mechanical properties of several materials. Recently, the experiments have been supplemented by some numerical modelling in order to increase the number of identifiable parameters and to improve the reliability of this characterization method. Finite element (FE) techniques are mainly used to reproduce the response to indentation of materials. Results are usually satisfactory in the case of metals but the FE approach presents several limitations in the case of brittle or quasi-brittle systems like pipeline steel coated by corrosion protection films, typical of the oil transportation sector. This thesis investigates the capabilities of the combined finite-discrete element method (FEM/DEM) in the simulation of indentation tests performed in this context, where material fragmentation is often observed. The computations have been carried out by Y code, developed and provided by Professor Munjiza, Queen Mary University of London. A preliminary assessment of the influence of some penalty parameters included in the code has been performed. The sensitivity of the results to the loading and boundary conditions defining some model problems has been evaluated. Some parametric study has been finally carried out in order to highlight the contribution of key material properties like tensile strength and fracture energy.

La prova di indentazione viene ampiamente utilizzata per calibrare le proprietà meccaniche di vari materiali. Recentemente, l'esperimento è stato integrato con la sua modellazione numerica al fine di aumentare il numero di parametri identificabili e per migliorare l'affidabilità di questo metodo di caratterizzazione. La risposta dei materiali alla prova di indentazione viene solitamente riprodotta mediante tecniche ad elementi finiti (FE). I risultati sono generalmente soddisfacenti nel caso dei metalli ma l'approccio FE presenta diverse limitazioni nel caso di sistemi fragili o quasi-fragili come nel caso di acciai da tubazioni rivestiti da pellicole di protezione anticorrosione, tipiche del settore petrolifero. Questa tesi indaga le capacità di un metodo basato sulla combinazione di elementi finiti ed elementi discreti (FEM/DEM) nella simulazione di test di indentazione eseguiti in questo contesto, in cui spesso si osserva la frammentazione del materiale. I calcoli sono stati effettuati con il codice Y, sviluppato e fornito dal professor Munjiza, Queen Mary University of London. Inizialmente, è stata eseguita una valutazione preliminare dell'influenza di alcuni parametri di penalità inclusi nel codice. Si è quindi analizzata la sensibilità dei risultati alle modalità di sollecitazione e alle condizioni al contorno che definiscono alcuni problemi modello. Infine, è stato effettuato uno studio parametrico che riguarda alcune proprietà fondamentali dei materiali fragili, quali la resistenza alla trazione e l’energia di frattura.