Crack propagation in aluminium alloy plates: experiments, modelling and simulation

Abstract

Denne masteroppgaven har studert sprekkpropagering i 1.5mm tykke plater av aluminiumslegeringen AA6016 utsatt for kvasisstatisk- og dynamisk last. Forsøkene har blitt modellert ved bruk av en FEA og en Gurson-Tvergaard-needleman (GTN) material modell til å beskrive plastisk materialoppførsel og brudd. Formålet med oppgaven er å bedømme nøyaktigheten, effektiviteten og robustheten til GTN-modellen til å predikere sprekkdannelse og sprekkpropagering i tynne aluminiumsplater. Oppgaven bruker data fra eksperimenter og tidligere forskning ved NTNU til å identifisere materialparameterne for tre tempers av AA6016: T4, T6 og T7. Forsøksdata fra strekktester på glatte prøvestykker har blitt brukt til å kalibrere flytespenning og isotropisk fastening, definert av Voce hardening rule. Data fra notched-strekk tester har blitt brukt til å bestemme skade- og bruddparametere til GTN-modellen. Cockcroft-Latham (CL) bruddkriterie har også blitt kalibrert for å sammenligne mot GTN-modellen. I oppgaven er det blitt utført strekktester på Double edged notched tension (DENT) tester ved institutt for konstruksjonsteknikk, NTNU. Samme test er deretter simulert ved hjelp av de identifiserte materialparameterene, og resultatene sammenlignet. Simuleringene er blitt utført i verktøyet Abaqus/Explisitt ved bruk av «8-node-linear-brick elements». Oppgaven finner at de numeriske resultatene ved bruk av begge modellene samsvarer godt med eksperimentell data. Modellene gir god nøyaktighet på krefter og forflynting, derimot er ikke korrekt sprekkpropagering predikert i alle testene. Gitt den enkle fremgangsmåten for kalibrering, og modellens beregningseffektivitet, støtter resultatene at modellen er et nyttig verktøy for dimensjonering av komponenter hvor fysiske tester er lite praktiske eller kostnadseffektive.

When properly calibrated, the Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model has the potential to predict crack initiation and propagation over a range of loading conditions. This paper addresses the procedures for calibrating the GTN-model parameters in addition to the extensively used Cockroft- Latham (CL) fracture criterion, for three tempers of AA6016 aluminum alloy. Data from five separate previously conducted experimental studies have been used for calibration and model validation. Uniaxial tensile tests were used to determine the flow stress and isotropic hardening, defined by the Voce-hardening law. Thereafter data from notched tensile tests were used to determine the damage and failure-parameters of the GTN and CL model. Model validation was performed using finite element simulations of single edge notched tension tests, modified Arcan tests, and a low-velocity drop-weight impact test. An experimental study was conducted on double edge notched tension specimens and subsequent simulations of the same test used as a final validation. All simulations were performed using Abaqus/Explicit using eight-node linear brick elements. The numerical results using both models were in good agreement with the Experimental data. The same trends seen in the quasi-static experiments was also seen for dynamic conditions, corroborating the notion that the quasi-static tests can be used fro validation for similar dynamic tests on AA6016. Considering the simplicity of the calibration process and the computational efficiency of the models, the results demonstrate, that when calibrated correctly, both models are useful tools in predicting ductile failure. Moreover, despite the greater complexity of a coupled damage criterion the computational efficiency of both models are roughly the same.