Crack Growth Behavior in NiTi Shape Memory Alloys Under Mode-I Isothermal Loading: Effect of Stress State

Fracture behavior in nickel-titanium (NiTi) shape memory alloys (SMAs) subjected to mode-I, isothermal loading is studied using finite element analysis (FEA). Compact tension (CT) SMA specimen is modeled in Abaqus finite element suite and crack growth under displacement boundary condition is investigated for plane strain and plane stress conditions. Parameters for the SMA material constitutive law implemented in the finite element setup are acquired from characterization tests conducted on near-equiatomic NiTi SMA. Virtual crack closure technique (VCCT) is implemented where crack is assumed to extend when the energy release rate at the crack-tip becomes equal to the experimentally obtained material-specific critical value. Load-displacement curves and mechanical fields near the crack-tip in plane strain and plane stress cases are examined. Moreover, a discussion with respect to the crack resistance R-curves calculated using the load-displacement response for plane strain and plane stress conditions is presented

Experiment Design Frameworks for Accelerated Discovery of Targeted Materials Across Scales

Over the last decade, there has been a paradigm shift away from labor-intensive and time-consuming materials discovery methods, and materials exploration through informatics approaches is gaining traction at present. Current approaches are typically centered around the idea of achieving this exploration through high-throughput (HT) experimentation/computation. Such approaches, however, do not account for the practicalities of resource constraints which eventually result in bottlenecks at various stage of the workflow. Regardless of how many bottlenecks are eliminated, the fact that ultimately a human must make decisions about what to do with the acquired information implies that HT frameworks face hard limits that will be extremely difficult to overcome. Recently, this problem has been addressed by framing the materials discovery process as an optimal experiment design problem. In this article, we discuss the need for optimal experiment design, the challenges in it's implementation and finally discuss some successful examples of materials discovery via experiment design

Ανάπτυξη και πιστοποίηση θερμομηχανικά συζευγμένου πεπερασμένου στοιχείου για την ανάλυση μη-γραμμικών μεταβατικών αποκρίσεων πολύστρωτων δοκών από κράματα μνήμης σχήματος

The scope of the present work is the development of numerically efficient finite elements for the simulation of the transient, thermo-mechanically coupled and non-linear behavior of shape memory alloys (SMA)s. Therefore, the work focuses in two scientific fields: 1) the development of an improved constitutive model describing the SMA behavior and 2) the development of nonlinear thermo-mechanically coupled beam FEs implementing the developed SMA constitutive model.In the first part of the dissertation a new SMA constitutive model is presented which is developed based on the widely recognized constitutive model of Lagoudas et al. (2012). New terms are introduced in the model that enhance its accuracy and eliminate numerical issues encountered by the usage of the baseline model in the FE analysis framework. Furthermore, the model is implemented in the continuum elements of ABAQUS commercial software through a user material subroutine (UMAT).In the second part of the dissertation, beam FEs are developed that incorporate the developed SMA constitutive model and provide significant computational advantages compared to the continuum FEs. The new FEs implement the thermo-mechanically coupled equilibrium equations in conjunction with properly chosen thermo-mechanical field kinematic assumptions for the simulation of the transient response of beam structures which admit various layers of SMA and passive materials. Initially the formulation of a geometrically linear beam FE is presented while subsequently a second formulation is presented, suitable for the simulation of structures which admits large displacements and rotations by capturing their geometrically nonlinear response. The equilibrium equations of both FE formulations are presented and implemented in the nonlinear FE framework of ABAQUS through the UEL subroutine. Therefore, the equations are solved using the Newton-Raphson nonlinear iterative solution technique while the necessary time integrations are performed numerically by the adoption of the implicit time integration scheme.The comparison of the numerical results acquired through the beam FE and the continuum FE models, implementing the same SMA constitutive model, demonstrates the perfect agreement and proves the efficiency of the chosen multi-field kinematic assumptions regarding the beam model while at the same time highlights the superiority of the beam FE model in terms of computational speed. Finally, the correlation between the actual experimentally measured and the respective predicted response of morphing structures validates the results of both the developed beam FE and the SMA constitutive model.Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός πεπερασμένου στοιχείου τύπου δοκού για την ανάλυση της θερμομηχανικά συζευγμένης συμπεριφοράς κραμάτων μνήμης σχήματος και την προσομοίωση της κίνησης αυτοπροσαρμοζόμενων (adaptive) δομών και κατασκευών μεταβαλλόμενης μορφής (morphing structures). Η εργασία επικεντρώνεται σε δύο κύριες κατευθύνσεις: (1) στην ανάπτυξη ενός βελτιωμένου καταστατικού μοντέλου κραμάτων μνήμης σχήματος και (2) την ανάπτυξη μη γραμμικών θερμομηχανικά συζευγμένων πεπερασμένων στοιχείων τύπου δοκού που ενσωματώνουν το προαναφερθέν καταστατικό μοντέλο.Στο πρώτο μέρος της διατριβής βελτιώνεται το καταστατικό μοντέλο των κραμάτων μνήμης σχήματος. Το καινούριο μοντέλο βασίζεται σε ένα ήδη υπάρχον και αναγνωρισμένο διεθνώς καταστατικό μοντέλο (Lagoudas και συνεργάτες) στο οποίο εισάγονται νέοι οροί που βελτιώνουν την ακρίβεια των αποτελεσμάτων του και επιπλέον βοηθούν στην επίλυση αριθμητικών προβλημάτων σύγκλισης που παρουσιάζονται όταν αυτό εισάγεται στην μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων.Στο δεύτερο και πλέον σημαντικό μέρος της διατριβής αρχικά αναπτύσσεται ένα γεωμετρικά γραμμικό πεπερασμένο στοιχείο τύπου δοκού το οποίο ενσωματώνει το καταστατικό μοντέλο κραμάτων μνήμης σχήματος που αναπτύχθηκε πρωτύτερα. Η πρωτοτυπία του νέου πεπερασμένου στοιχείου έγκειται στο ότι ενσωματώνει τις εξισώσεις μηχανικής και θερμικής ισορροπίας σε συνδυασμό με κατάλληλες θερμομηχανικές κινηματικές υποθέσεις κατάλληλες για πολύστρωτες δοκούς ώστε να προσομοιώσει με ακρίβεια την χρονική θερμομηχανικά συζευγμένη συμπεριφορά των εν λόγω υλικών. Επιπλέον, το προαναφερθέν πεπερασμένο στοιχείο αναβαθμίζεται και συμπεριλαμβάνει την θεωρεία μεγάλων μετατοπίσεων/περιστρόφων καθιστώντας το ικανό να προσομοιώσει με ακρίβεια τις μεγάλες αλλαγές σχήματος και την γεωμετρικά μη γραμμική συμπεριφορά κατασκευών μεταβαλλόμενης μορφής. Τέλος και για τις δυο μαθηματικές διατυπώσεις των προαναφερθέντων πεπερασμένων στοιχείων παρουσιάζονται οι εξισώσεις ισορροπίας και λύνονται αριθμητικά με συνδυασμό της επαναληπτικής μεθόδου επίλυσης μη γραμμικών συστημάτων εξισώσεων «Newton-Raphson» και μεθόδου έμμεσης χρονικής ολοκλήρωσης.Ακολουθεί η αριθμητική αξιολόγηση και επαλήθευση των υπολογιστικών δυνατοτήτων του πεπερασμένου στοιχείου μέσα από συγκρίσεις με αποτελέσματα αναλύσεων δισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων επίπεδης εντατικής κατάστασης (Plane stress) και γίνονται συγκρίσεις με πειραματικά αποτελέσματα. Εν κατακλείδι, οι αριθμητικές προσομοιώσεις αναδεικνύουν την αποτελεσματικότητα του πεπερασμένου στοιχείου αλλά και την σημασία των πρωτοτύπων στοιχείων του (αναπτυγμένο καταστατικό μοντέλο, θεώρηση θερμομηχανικά συζευγμένης συμπεριφοράς, θεώρηση μεγάλων μετατοπίσεων και γεωμετρική μη-γραμμικότητα) για αξιόπιστες αναλύσεις αυτοπροσαρμοζόμενων δομών με κράματα μνήμης σχήματος