Sviluppo di tecniche per l'analisi peridinamica della frattura duttile in problemi termomeccanici fortemente accoppiati

The development of new techniques based on peridynamics theory for the analysis of ductile fracture and fragmentation in strongly coupled thermomechanical problems is submitted in this thesis. Peridynamics is a formulation of continuum mechanics based on the hypothesis that the points of the deformable bodies interact with each other through non-local forces that does not dependent on spatial derivatives. The definition and the onset of cracks and fractures is permitted without the need to treat the spatial derivatives near discontinuities and without defining empirical laws of crack growth in function of parameters, such as stress intensity factor. Special attention is given to the theoretical definition and the numerical implementation of thermomechanical coupling phenomena, which lead to a further development of the explicit time integration multirate technique. The developed implementation that allows better management of non-local bonds in parallel calculation has also been described. Elastic, elastoplastic, viscoelastic and thermal diffusion models are studied and developed in the thesis work. These models are analyzed numerically to validate them and study their convergence and stability characteristics. The problem of the ductile fracture is faced by implementing an energetically consistent method, called the critical micropotential model. The formulation of the peridynamic models was made in such a way as to be able to define characteristic properties of the materials as a function of temperature. The acquired and developed knowledge have been applied in two case studies. The first case study reports the analysis of the ductile fracture of a steel specimen subjected to high deformation rates; the numerical results obtained are compared with experimental temperature and deformation data. The second case study reports the analysis of the phenomenon of damage in a meteorite subject to high thermal and pressure loads due to the impact with the atmosphere. Calculation timing of analyses with different numerical sizes, and a study on the efficiency of multiprocessor scaling of the software used are also reported.

Questa tesi di laurea propone lo sviluppo di nuove tecniche basate sulla teoria peridinamica per l'analisi della frattura duttile e della frammentazione in problemi termomeccanici fortemente accoppiati. La peridinamica è una formulazione della meccanica del continuo, alternativa a quella classica, basata sull'ipotesi che i punti dei corpi deformabili interagiscano tra loro attraverso forze non locali non dipendenti da derivate nello spazio. Ciò permette la definizione e l'insorgenza di cricche e fratture senza bisogno di trattare le derivate spaziali in corrispondenza di discontinuità e senza definire leggi empiriche di crescita delle cricche in funzione di parametri come lo stress intensity factor. Viene dedicata particolare attenzione alla definizione teorica e all'implementazione numerica dei fenomeni di accoppiamento termomeccanico, che portano ad un ulteriore sviluppo della tecnica di integrazione nel tempo esplicita multirate. Si descrive anche la procedura implementativa sviluppata che ha permesso una migliore gestione dei legami non locali nel calcolo parallelo. Nel lavoro di tesi vengono studiati e sviluppati modelli elastici, elastoplastici, viscoelastici e di diffusione termica. I modelli trattati vengono analizzati numericamente per validarli e studiarne le caratteristiche di convergenza e stabilità. Il problema della frattura duttile viene affrontato implementando un metodo energeticamente consistente, detto del micropotenziale critico. La formulazione dei vari modelli è stata fatta in maniera tale da poter definire proprietà caratteristiche dei materiali in funzione della temperatura. Le conoscenze acquisite e sviluppate sono state applicate in due casi studio. Il primo caso studio presenta l'analisi della frattura duttile di un provino di acciaio sottoposto ad alte velocità di deformazione; i risultati numerici ottenuti sono stati confrontati con dati sperimentali di temperatura e deformazione. Il secondo caso studio riporta l'analisi esplorativa del fenomeno di danneggiamento in un meteorite soggetto agli alti carichi termici e di pressione dovuti all'impatto con l'atmosfera. Si riportano analisi sulle tempistiche di calcolo al variare della dimensioni del problema e sull'efficienza dello scalamento multiprocessore del software usato.