Innovative numerical formulation in crashworthiness for ductile fracture description using LS-Dyna

Structural crashworthiness requires an extensively use of numerical simulations to assess transport safety and compliance to regulations. Realizing a full-scale experimental testing campaign demands substantial economical resources and limits the amount of collected data to the repeatability of the tests, therefore numerical simulations can reduce costs and improve data quality. Moreover, materials involved in crash tests undergo relevant plastic deformations, often ending up to final fracture, thus obtaining an optimal description of both plasticity and fracture straining is fundamental for crash analyses. In this thesis ductile fracture of structural steels has been investigated through the nonlinear finite element software LS-Dyna by examining some of the most used failure models in crashworthiness: GISSMO, Tabulated Johnson and Cook and RTCL damage models. Numerical and experimental results have been compared and, among the mentioned models, GISSMO has been the most accurate one. An incremental description of damage accumulation and a mesh regularization algorithm have led to accurate results. The material characterized has been S275JR, a structural steel typically used for road restraint systems. Then the crucial work of this thesis has been the extension of GISSMO for a generic structural steel material, developing a valid numerical procedure able to reconstruct plasticity and triaxiality curves of a material from few known mechanical properties. Hence, the generic fracture model has been validated with different kind of steels and a specific testing campaign.

La resistenza strutturale agli impatti richiede un uso estensivo di simulazioni numeriche affinché possa essere verificata la sicurezza dei mezzi di trasporto e la loro conformità alle normative vigenti. Realizzare una campagna di prove sperimentali su vasta scala, infatti, necessita di sostanziali risorse economiche e limita la quantità di dati raccolti alla ripetibilità delle prove; di conseguenza, realizzare simulazioni numeriche può ridurre i costi e migliorare la qualità dei dati acquisiti. I materiali solitamente utilizzati nelle prove di crash subiscono deformazioni plastiche elevate e, spesso, raggiungono il loro punto di rottura; per questo motivo, ottenere una descrizione ottimale sia della plasticità sia della frattura del materiale è fondamentale per le analisi di impatti. In questa tesi, la rottura duttile di acciai strutturali è stata analizzata tramite il software non lineare ad elementi finiti LS-Dyna, studiando alcuni tra i modelli di rottura più utilizzati per il crash: GISSMO, Tabulated Johnson and Cook e modello di danno RTCL. I risultati numerici e sperimentali sono stati confrontati e, tra i modelli citati, GISSMO si è rivelato essere il più accurato. Grazie ad una descrizione incrementale di accumulo di danno e ad un algoritmo di regolarizzazione del comportamento al variare della dimensione della mesh si sono ottenuti risultati molto accurati. Il materiale caratterizzato è stato l’S275JR, un acciaio strutturale tipicamente utilizzato per sistemi di ritenuta stradale. Il punto cruciale di questa tesi è stato, quindi, la generalizzazione di GISSMO per la sua applicazione a qualsiasi tipologia di acciaio strutturale, sviluppando una valida procedura numerica capace di ricostruire la curva di plasticità e di triassialità di un materiale, partendo da poche proprietà meccaniche note. Infine, il modello di frattura generale sviluppato è stato validato considerando diversi tipi di acciaio e svolgendo una campagna di prove sperimentali specifiche.