Numerical modelling of fatigue crack growth using XFEM

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ferreira, João Guilherme Gaspar Cordeiro
Data de Publicação: 2014
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10773/14344
Resumo: The Finite Element Method (FEM) is one of the most efficient tools used, in computational solid mechanics, for the numerical solution of Partial Differential Equations (PDE). This numerical technique has been extensively used in the past decades for finding approximate solutions to PDE in both engineering and science fields. A main feature of the FEM is the subdivision of a continuum into a discrete set of elements, being these elements connected by a topological map, usually referred to as the finite element mesh. The FEM can generally be used to model and predict the behaviour of continuous structures. However, problems arise when FEM is used on a domain with a discontinuity (like a crack). In this case, it is usual to use adaptive mesh refinement around the discontinuity. This process works ne, but has a very high computational cost. Alternatively, the eXtended Finite Element Method (XFEM) is a numerical method for modelling strong and weak discontinuities using local enrichment. It is a FEM generalization that enables the incorporation of local enrichment of approximation spaces. This enrichment is done through the partition of unity concept by adding special functions to the finite element approximation. For crack modelling in isotropic linear elasticity, the Heaviside function is used to enrich the completely cut elements and an asymptotic function is used to enrich the crack tip elements. This enrichment creates new degrees of freedom that must be integrated into the analysis during a post-processing step. This enables the domain to be modelled without explicitly meshing the crack surfaces and without a remeshing process for the crack propagation. In this context, this work addresses the main concepts of FEM and XFEM, the creation of a pedagogical XFEM software (with its numerical implementation process and software manual) and the differences between a standard FEM implementation and a XFEM program. Finally, some numerical results of the XFEM application are presented.
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This process works ne, but has a very high computational cost. Alternatively, the eXtended Finite Element Method (XFEM) is a numerical method for modelling strong and weak discontinuities using local enrichment. It is a FEM generalization that enables the incorporation of local enrichment of approximation spaces. This enrichment is done through the partition of unity concept by adding special functions to the finite element approximation. For crack modelling in isotropic linear elasticity, the Heaviside function is used to enrich the completely cut elements and an asymptotic function is used to enrich the crack tip elements. This enrichment creates new degrees of freedom that must be integrated into the analysis during a post-processing step. This enables the domain to be modelled without explicitly meshing the crack surfaces and without a remeshing process for the crack propagation. In this context, this work addresses the main concepts of FEM and XFEM, the creation of a pedagogical XFEM software (with its numerical implementation process and software manual) and the differences between a standard FEM implementation and a XFEM program. Finally, some numerical results of the XFEM application are presented.O Método dos Elementos Finitos (Finite Element Method - FEM) é uma das ferramentas mais eficientes para a obtenção de soluções numéricas de Equações Diferenciais Parciais (EDP) em mecânica dos sólidos computacional. Esta técnica numérica tem vindo a ser utilizada extensivamente durante as últimas décadas para a obtenção de soluções aproximadas de EDP, tanto a nível de engenharia como a nível científico. Uma das principais características do FEM é a subdivisão de um meio contínuo numa série de elementos discretos, estando esses elementos ligados por um mapa topológico, normalmente referido como malha dos elementos finitos. O FEM é utilizado geralmente para modelar e prever o comportamento de estruturas contínuas. Contudo, surgem problemas quando o FEM é utilizado em domínios que contenham descontinuidades (tais como fendas). Neste caso, é normalmente utilizado um refinamento de malha adaptativo em torno da descontinuidade. Este processo funciona perfeitamente, mas acarreta um enorme custo computacional. Alternativamente, o Método dos Elementos Finitos Estendidos (eXtended Finite Element Method - XFEM) é um método numérico utilizado para modelar descontinuidades fortes e fracas, utilizando enriquecimento local. É uma generalização do FEM que permite a incorporação de enriquecimento local de aproximação de espaços. Este enriquecimento é feito através do conceito de partição de unidade, ao adicionar funções especiais à aproximação por elementos finitos. Para a modelação de uma fenda em regime linear elástico isotrópico, é utilizada a função de Heaviside para enriquecer os elementos que são completamente cortados pela fenda, e a função assimptótica para enriquecer os elementos que contenham a ponta de fenda. Este processo de enriquecimento cria novos graus de liberdade que têm de ser incorporados no sistema, através de uma etapa de pós-processamento. Isto permite que o domínio possa ser modelado, sem que exista a preocupação de fazer coincidir a malha com a localização da fenda, e que seja preciso recorrer a um processo de remalhamento caso exista propagação da fenda. Neste contexto, o presente trabalho aborda os principais conceitos de FEM e XFEM, a criação de um software pedagógico de XFEM (com o seu processo de implementação numérica e manual do software) e as principais diferenças entre a implementação padrão do FEM e um programa de XFEM. Finalmente, são apresentados alguns resultados numéricos da aplicação do XFEM.Universidade de Aveiro2015-07-03T11:22:11Z2014-01-01T00:00:00Z2014info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10773/14344TID:201579723engFerreira, João Guilherme Gaspar Cordeiroinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-06T03:54:27Zoai:ria.ua.pt:10773/14344Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T13:50:43.936330Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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