بررسي تجربي و شبيه‌سازي عددي شكست نرم در نمونه‌هاي كششي با به‌كارگيري مدل آسيب ميكرومكانيكي جي‌تي‌ان

Experimental Study and Numerical Simulation of Ductile Fracture on In-Situ Tensile Specimens Using GTN Micromechanical Damage Model

مطالعه حاضر به بررسي تجربي و عددي نمونه‌هاي كششي براي مطالعه و شناسايي مكانيزم شكست نرم تحت حالت‌هاي مختلف تنش مي‌پردازد. مدل جي‌تي‌ان كه يك مدل آسيب ميكرومكانيكي است، براي شبيه‌سازي‌هاي عددي استفاده شده ‌است. پارامترهاي مرتبط با اين مدل براي فولاد اس‌تي‌12 با استفاده از روش سطح پاسخ (RSM) با حداقل اختلاف بين نتايج عددي و تجربي آزمون كشش بر روي نمونه استاندارد تعيين شدند. پارامترهاي مربوط به حفره در مدل جي‌تي‌ان به‌ترتيب 0/00107، 0/00716، 0/01 و 0/15 براي ff, fc, fN, f0, تعيين شدند. پس از كاليبراسيون مدل آسيب براي ماده مورد مطالعه، آزمون‌هاي كشش بر روي نمونه‌هاي كششي با هندسه‌هاي مختلف انجام شدند. بررسي شكست‌نگاري براي فهم مكانيزم شكست نرم تحت طيف گسترده‌اي از حالت‌هاي تنش انجام و دو مكانيزم شكست شناسايي شد. مدل آسيب كاليبره‌شده، براي شبيه‌سازي المان محدود نمونه‌هاي كششي به‌منظور مطالعه عددي مكانيزم‌هاي شكست مشاهده‌شده در آزمون‌هاي تجربي استفاده شد. نتايج عددي استخراج‌شده مطابقت خوبي با مشاهدات تجربي داشت، به‌طوري كه نمودار نيرو- جابه‌جايي حاشيه خطا حدود 5% را نشان مي‌دهد. محل شروع شكست، جهت رشد ترك و مقدار جابه‌جايي در نقطه شكست در مطالعات عددي نيز نشان‌دهنده مطابقت نزديك با آزمايشات تجربي بود

The present study is devoted to experimental and numerical investigation of in-situ tensile tests to recognize the mechanisms of ductile fracture under different stress states. The GTN model, which is a micromechanical based damage model, has used for numerical simulations. The parameters related to this model for St12 steel were identified by response surface method (RSM) through minimizing the difference between numerical and experimental results of the tensile test on a standard specimen. The void related parameters of GTN model were determined 0.00107, 0.00716, 0.01, and 0.15 for f0, fN, fc, and ff, respectively. After calibrating the damage model for the studied material, the tensile tests were carried out on the in-situ specimens with different geometries. The fractographic analysis was performed to identify the ductile fracture under a wide range of stress states and two failure mechanisms were observed. The calibrated damage model was applied to FE simulations of in-situ tensile specimens for numerical study of the experimentally observed fracture phenomenon. The extracted numerical results showed a good agreement with experimental observations comparing load-displacement plots with a margin of error within 5%. The location of fracture initiation, crack growth orientation, and the displacement at fracture zone in numerical studies also showed close correspondence with experiments.