Modelling of Ductile Fracture in Steel Structures

Abstract

Rørledninger som befinner seg til havs og transporterer CO2 er sårbare for løpende duktile brudd, som potensielt kan føre til betydelige kostnader og tap av menneskeliv. Dersom rørledningene er riktig dimensjonert, kan risikoen for slike brudd bli betraktelig redusert. Industrien ønsker å utføre slik dimensjonering med numeriske metoder, eksempelvis elementanalyser, for å spare både tid og kostnader. Samtidig krever dette at elementanalysene er tilstrekkelig presise og gir troverdige resultater. Så, dette arbeidet undersøkte mulighetene og begrensningene til den populære Gurson-Tvergaard-Needleman-modellen (GTN), ved å sammenlikne numeriske og eksperimentelle resultater. Denne material-modellen er spesielt kjent for å beskrive de kompliserte virkningene i duktile brudd. Element-verktøyet Abaqus/Explicit ble brukt til å utføre de numeriske analysene.

Materialet som ble brukt var et 13 % Cr martensittisk stål som både var sterkt og duktilt, noe som er ettertraktede egenskaper når man dimensjonerer rørledninger. Kvasi-statiske strekktester på enaksielle prøvestykker, så vel som prøvestykker med hakk, ble utført for å finne de mekaniske egenskapene til materialet. I tillegg ble også Kahn-tester og Charpy-tester utført. Basert på eksperimentell data ble parameterene i GTN-modellen kalibrert ved å bruke invers modellering, som la grunnlaget for de videre numeriske analysene. I korthet, de kalibrerte parameterene korresponderte godt med de eksperimentelle resultatene. Når man tar hensyn til at kun fire parametere ble kalibrert, kan disse resultatene sees på som verdifulle, da det betyr at det ikke er nødvendig å undersøke alle GTN-parameterene for å oppnå tilfredsstillende samsvar.

For å validere presisjonen til GTN-modellen med de kalibrerte parametrene ble numeriske modeller av Kahn-testene og Charpy-testene etablert. De numeriske Kahn-simuleringene indikerte at mesh-avhengighet kan spille en viktig rolle. Tre forskjellige mesh ble undersøkt, hvor spesielt to av disse var konsistente og i samsvar med de eksperimentelle resultatene. Derfor, når man benytter GTN-modellen tyder resultatene på at flere forskjellige typer mesh burde ble utforsket. I tillegg var den numeriske modellen i stand til å forutsi sprekk-tunnellering. Så, resultatene tydet på at GTN-modellen er i stand til å representere den eksperimentelle oppførselen ved kvasi-statiske tøyningsrater.

De numeriske modellen av Charpy-testene klarte generelt ikke å gjenskape de eksperimentelle resultatene. Selv om forløpet til den eksperimentelle kurven var i overensstemmelse, så over-estimerte GTN-modellen kraften i store deler av simuleringen. Uavhengigheten av tøyningsrate kan se ut til å være en fornuftig forklaring. Videre ble viskoplastisitet, representert ved Johnson Cook-modellen (JC), lagt til materialmodellen for å ta høyde for effektene av tøyningsraten. I dette tilfelle var hverken forløpet til den eksperimentelle kurven eller kraften i samsvar med de eksperimentelle resultatene. Det ble foreslått at fraværet av adiabatiske effekter i materialmodellen til de numeriske analysene kunne være en mulig forklaring. I tillegg, en annen mulig forklaring kan ha vært at GTN-modellen ikke presterer tilstrekkelig når den kombineres med JC-modellen. Oppsummert indikerte resultatene på at GTN-modellen har mangler ved dynamiske tøyningsrater.

Offshore pipelines transporting CO2 are vulnerable to running ductile fractures, potentially causing substantial economic costs or human losses. However, if the pipes are designed appropriately, the risk of this type of fracture can be reduced considerably. The industry seeks to perform such design by using numerical tools, such as Finite Element (FE) analyses, consequently saving both time and costs. Accordingly, this requires that the FE simulations are sufficiently precise and yields trustworthy results. Thus, the objective of the work was to investigate the capabilities and limitations of the widely used Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model, by comparing numerical and experimental results. This material model is particularly known for describing the complex effects of ductile fractures well. The FE tool Abaqus/Explicit was used to perform the numerical analyses.

The material at hand was a 13 % Cr martensitic steel, having high strength and ductility, desired properties when designing offshore pipelines. Quasi-static tensile tests on uniaxial and notched specimens were conducted to obtain the mechanical properties of the material. In addition, Kahn tear tests and Charpy impact tests were carried out. Based on the experimental data, the parameters in the GTN model were calibrated by using inverse modelling, laying the foundation for the next numerical analyses. In brief, the obtained parameters matched the experimental results well. When considering that only four of the parameters were calibrated, these results may be regarded as valuable, meaning that it not is necessary to examine every GTN parameter to obtain a satisfactory agreement.

In order to validate the accuracy of the GTN model with the calibrated parameters, numerical models of the Kahn tear test and the Charpy impact test were established. The numerical Kahn simulations indicated that mesh sensitivity can play an important role. Three different meshes were examined, where particularly two of these were consistent and in agreement with the experimental results. Hence, when applying the GTN-model, several different meshes should be investigated. In addition, the numerical model predicted crack tunneling well. Thus, the results indicated that the GTN model is capable of representing the experimental behaviour at quasi-static strain rates.

The numerical models of the Charpy impact test were in general not able to reproduce the experimental results. Although the pattern of the experimental curve was predicted well, the GTN-model underestimated the force in large parts of the simulation. The strain rate independency of the material model seemed to be a reasonable explanation. Moreover, viscoplasticity, represented by the Johnson Cook (JC) model, was then added to the material model to account for the effects of the strain rate. In this case, neither the pattern of the curve nor the force were in agreement with the experimental results. It was suggested that the absence of adiabatic heating in the numerical analyses could explain some of this behaviour, or possibly, that the GTN model not performs well together with the JC model. Summarized, the results indicated that the GTN model has limitations at dynamic strain rates.