Investigation of geometry transferability of Lemaitre's continuum damage mechanics model

Damage mechanics is one of the main frameworks dealing with failure of materials and structures. Several damage mechanics models based on different concepts have been proposed during the last decades. Lemaitre’s s damage mechanics model as one of the most important continuum damage mechanics models has been investigated in this research. A comprehensive experimental test program has been carried out on the different specimen geometries and loading conditions. Multiaxial torsion and uniaxial tensile tests have been done on the round and flat smooth and notched specimens. Test material is ti-6Al-4V titanium alloy. All of the experiments has been reproduced using finite element models. Lemaitre’s continuum damage mechanics model and plasticity constitutive law has been calibrated for ti-6Al-4V titanium alloy and implemented into finite element models. Accuracy of the predictions of the CDM model in the different loading conditions has been evaluated especially experimental and numerical load-displacement results has been compared. Advantages and drawbacks of the Lemaitre’s model have been evaluated under different loading conditions and potential errors of the application of the model have been clarified. Different loading conditions and stress states in the experiments which leads to different fracture mechanism has been shown by determination of the stress triaxiality and lode angle parameters from the finite element models. Scanning electron microscope images of the failure surface of the tested specimens has been studied and different fracture mechanisms in the experiments have been shown also.

La damage mechanics e' uno delle principali metodologie per affrontare il problema della modellizzazione del cedimento di componenti e strutture. Nel quadro della damage mechanics, nel corso degli anni, sono stati proposti vari modelli basati su differenti assunzioni. Il modello di Lemaitre e' uno dei più importanti tra la categoria dei modelli di tipo continuum damage mechanics. Un completo programma sperimentale basato su provini aventi differenti geometrie e sottoposti a carichi di varia natura e' stato realizzato. In particolare sono state svolte prove multi e uniassiali su provini piani e a sezione circolare con e senza intaglio. Il materiale oggetto dello studio e' una lega di titanio del tipo ti-6Al-4V. Tutta la campagna sperimentale e' stata propriamente riprodotta numericamente sviluppando modelli agli elementi finiti. Un modello continuum damage mechanics del tipo Lemaitre e un opportuno legame costitutivo sono stati calibrati e implementati nei modelli numerici per la lega ti-6Al-4V. L’accuratezza delle predizioni del modello CDM sono state valutate confrontando in particolare le curve forza-spostamento numeriche e sperimentali. Possibili vantaggi e svantaggi del modello di Lemaitre sono state evidenziate per differenti condizioni di carico e potenziali errori del modello sono stati chiarificati. Triassilità e angolo di Lode sono stati calcolati per differenti geometrie e carichi per mezzo dei modelli agli elementi finiti mostrando la loro influenza sulla frattura. Le superfici di frattura corrispondenti ai differenti tipi di carico sono poi state indagate utilizzando un microscopio a scansione.