Phenomenological approach to probabilistic models of damage accumulation. Application to the analysis and prediction of fatigue crak gowth

Abstract

La tesis propone una novedosa modelización de los procesos de acumulación de daño por fatiga. El modelo fenomenológico planteado se basa en la concepción de los sólidos continuos como un conjunto complejo de elementos primarios que muestran un patrón estable de comportamiento estadístico durante el proceso de rotura. Ello permite reproducir la evolución general de daño a través de ciertas funciones de distribución de valores extremos, según las limitaciones físicas asociadas al proceso. Además, los parámetros intervinientes en las leyes propuestas son interpretables físicamente, lo que permite extrapolaciones a otras posibles condiciones (transferibilidad). Se avanza en la modelización original de Castillo-Canteli relativa a la descripción de las curvas de velocidad de crecimiento por fatiga (FCGR), que supera las limitaciones de las propuestas más extendidas actualmente. Se identifica Kmax como parámetro más adecuado, alternativo a ΔK, en la definición de las curvas FCGR. Se comprueba los efectos de R sobre los valores de Kmax,th, de donde cabe sugerir una ley de variación del tipo Kmax,th=f(R) que permitiría evaluar todos los resultados experimentales conjuntamente, independientemente de la relación de cargas con que fuesen registrados. Se demuestra la idoneidad las leyes estadísticas de extremos en el ajuste de las curvas de evolución de tamaño de grieta con el número de ciclos (a-N). El modelo propuesto confirma su capacidad para la estimación del umbral de propagación (ΔKth) en las curvas FCGR, incluso disponiendo solamente de un tramo escaso de medición no próximo a la zona umbral. Esto último tiene consecuencias notables sobre la metodología actual de evaluación, atendiendo tanto a razones económicas como de tiempos de ensayos. La metodología general de evaluación se constata mediante su aplicación en distintos materiales y tomando como referencia distintas variables susceptibles de representar el menoscabo de la integridad estructural de componentes RESUMEN (en Inglés) The thesis proposes a novel assessment methodology on fatigue damage accumulation processes. The phenomenological proposals described here are based on the conception of continuous media as a complex set of primary elements that show a stable pattern of statistical behavior during the breaking process. This allows to reproduce the general evolution of damage through certain extreme values distributions. Besides, the parameters involved in the proposed laws are physically interpretable, which makes possible extrapolations to other plausible conditions (transferability). The original Castillo-Canteli model concerning the description of the fatigue growth velocity curves (FCGR), which overcomes the limitations of the most widespread proposals at present, is improved. Kmax is identified as the most suitable parameter, as alternative to ΔK, in the definition of the FCGR curves. The effects of R on the values of Kmax,th are verified so that suggesting a variation law in the form Kmax,th=f(R) is feasible. That would allow evaluating all the experimental results jointly, independently of the relation of loads (R) with which they are registered. The suitability of the extreme statistical laws is demonstrated in the fitting of crack size evolution concerning the number of cycles (a-N). The proposed model confirms its ability to estimate the propagation threshold (ΔKth) in the FCGR curves, even if only a small measuring range, not near to the threshold zone, is available. The latter has significant consequences on the current evaluation techniques, for both economic and test-time reasons. The general assessment method is verified through its application in different materials and taking different refence variables, susceptible to represent the impairment of the structural integrity of components.