Numerical simulation on the mechanical behaviour of aluminosilicate glass

Numerical simulation of the mechanical behaviour of materials remains one of the most powerful and promising tools that engineers and designers can use for their purposes nowadays. However, behind the effectiveness of a simulation, a significant effort must be spent in order to understand the theory and adjust all the parameters that a model is based on. Such difficulty is further increased as the simulation approaches the failure field of an object, especially when brittle materials are employed. In fact, differently from other cases, the failure behaviour of brittle materials is usually difficult to be generalized and put into a mechanical model. Accordingly, the numerical simulation on this kind of materials is still an open research problem in computational mechanics and constitutes a big challenge and opportunity for the future. The main topic of this thesis is the presentation and application of two numerical methods, namely the Cohesive Elements Method and the FEM-SPH (Finite Element coupled with Smooth Particle Hydrodynamics) approach, that are particularly suitable for the prediction of the mechanical behaviour of Aluminosilicate glass, which is a class of glasses commonly used in mechanical applications thanks to its mechanical properties. The objective is to realistically reproduce the typical damage of this material under several loading conditions, with the aim of enhancing the design of new components made with it. In order to achieve it, a qualitative and quantitative analysis of the mechanical strength and the damage morphology obtained in the numerical models is performed, and a comparison with the experimental results in analogous loading conditions is done as well in order to validate it. Finally, the two employed methods are compared, and the advantages and disadvantages of each one and their similarities are highlighted.

La simulazione numerica è uno degli strumenti più potenti e promettenti che al giorno d’oggi ingegneri e designers posseggono e possono utilizzare per i loro scopi. Tuttavia, l’efficacia di una simulazione dipende fortemente dallo sforzo speso nella comprensione della teoria e nella calibrazione dei vari parametri da cui dipende ciascun modello. Tale difficoltà è ulteriormente accresciuta nel momento in cui ad essere studiato è il comportamento a rottura di un componente, in particolar modo quando vengono impiegati dei materiali fragili. Infatti, a differenza di altri casi, il comportamento a rottura dei materiali fragili è normalmente difficile da generalizzare in un modello meccanico. Pertanto, la simulazione numerica di questo genere di materiali è tuttora un problema aperto nella meccanica computazionale e costituisce una grande sfida ed opportunità per il futuro. L’argomento di questa tesi è la presentazione e l’applicazione di due tecniche numeriche, ossia il Metodo degli Elementi Coesivi e l’approccio misto FEM-SPH (Metodo degli elementi finiti accoppiato con la tecnica Smooth Particle Hydrodynamics), per la simulazione del comportamento meccanico del vetro Allumino-Silicato, il quale è una classe di vetri comunemente impiegata per applicazioni meccaniche in virtù delle sue proprietà meccaniche. L’obiettivo è la realistica riproduzione della frattura di tale vetro in condizioni di carico diversificate per il miglioramento delle capacità di modellazione di nuovi manufatti costruiti con questo materiale. Al fine di raggiungere lo scopo prefissato, una analisi qualitativa e quantitativa della resistenza meccanica e della morfologia della frattura ottenute nei modelli numerici è stata compiuta, e un confronto con i risultati sperimentali in analoghe condizioni di carico è stato riportato al fine di validarla. Infine, sono stati comparati i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnica, e le loro similitudini e gli sviluppi futuri sono stati evidenziati.