Numerical treatment of cosserat based rate independent strain gradient plasticity theories
Fecha
2008-12-01
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
Descripción
The current trend towards miniaturization in the microelectronic industry has promulgated the development of theories aimed at explaining the behavior of materials used on a small scale. In the particular case of metals, a class of non-classical theories of continuous media mechanics has recently been used in order to explain a wide range of micrometric scale observations. However, the practical use of the proposed theories remains limited due to difficulties in their numerical implementation. First, when these are to be implemented in formulations by finite elements based on displacements, the need for high orders of continuity in interpolation functions is generated in order to maintain the convergence properties in the algorithm. These limitations generate strong restrictions on the geometries of the available elements. On the other hand, the inelastic models available for small-scale applications have been formulated as deformation theories (total) limiting their applicability to problems under proportional load conditions. In this article two contributions are made in the case of a Cosserat continuum with torque voltages. First, a numerical scheme based on a strategy of penalty functions combined with reduced integration is described to appropriately address the problem of higher order terms present in the Cosserat theory. This scheme results in a new finite element that can be directly coupled to commercial distribution programs that accept user subroutines. Secondly, a theory of fl ow of plasticity is proposed incorporating size effects overcoming some of the obstacles of deformation theories. The resulting constitutive model and its corresponding time integration scheme are coupled to the new element formulated and implemented in ABAQUS user subroutines. The validity of the strategy is demonstrated by simulations of the micro fl exion test on nickel sheets reported in the literature.
La tendencia actual hacia la miniaturización en la industria microelectrónica ha promulgado el desarrollo de teorías orientadas a explicar el comportamiento de materiales usados en pequeña escala. En el caso particular de los metales, recientemente se ha usado una clase de teorías no clásicas de la mecánica de los medios continuos con el fin de explicar una amplia gama de observaciones a escala micrométrica. Sin embargo el uso práctico de las teorías propuestas permanece limitado debido a dificultades a la hora de su implementación numérica. En primer lugar, cuando éstas van a ser implementadas en formulaciones por elementos finitos basadas en desplazamientos se genera la necesidad de altos órdenes de continuidad en las funciones de interpolación con el fin de mantener las propiedades de convergencia en el algoritmo. Estas limitaciones generan fuertes restricciones en las geometrías de los elementos disponibles. De otro lado, los modelos inelásticos disponibles para aplicaciones a pequeña escala han sido formulados como teorías de deformación (total) limitando su aplicabilidad a problemas bajo condiciones proporcionales de carga. En el presente artículo se hacen dos contribuciones para el caso de un continuo de Cosserat con tensiones de par. Primero se describe un esquema numérico basado en una estrategia de funciones de penalización combinadas con integración reducida para abordar apropiadamente el problema de los términos de orden superior presentes en la teoría de los Cosserat. Este esquema da como resultado un nuevo elemento finito que puede ser directamente acoplado a programas de distribución comercial que acepten subrutinas de usuario. En segundo lugar se propone una teoría de flujo de plasticidad incorporando efectos de tamaño superando algunos de los obstáculos de las teorías por deformación. El modelo constitutivo resultante y su correspondiente esquema de integración en el tiempo son acoplados al nuevo elemento formulado e implementados en subrutinas de usuario de ABAQUS. La validez de la estrategia es demostrada mediante simulaciones del ensayo de microflexión en láminas de níquel reportados en la literatura.
La tendencia actual hacia la miniaturización en la industria microelectrónica ha promulgado el desarrollo de teorías orientadas a explicar el comportamiento de materiales usados en pequeña escala. En el caso particular de los metales, recientemente se ha usado una clase de teorías no clásicas de la mecánica de los medios continuos con el fin de explicar una amplia gama de observaciones a escala micrométrica. Sin embargo el uso práctico de las teorías propuestas permanece limitado debido a dificultades a la hora de su implementación numérica. En primer lugar, cuando éstas van a ser implementadas en formulaciones por elementos finitos basadas en desplazamientos se genera la necesidad de altos órdenes de continuidad en las funciones de interpolación con el fin de mantener las propiedades de convergencia en el algoritmo. Estas limitaciones generan fuertes restricciones en las geometrías de los elementos disponibles. De otro lado, los modelos inelásticos disponibles para aplicaciones a pequeña escala han sido formulados como teorías de deformación (total) limitando su aplicabilidad a problemas bajo condiciones proporcionales de carga. En el presente artículo se hacen dos contribuciones para el caso de un continuo de Cosserat con tensiones de par. Primero se describe un esquema numérico basado en una estrategia de funciones de penalización combinadas con integración reducida para abordar apropiadamente el problema de los términos de orden superior presentes en la teoría de los Cosserat. Este esquema da como resultado un nuevo elemento finito que puede ser directamente acoplado a programas de distribución comercial que acepten subrutinas de usuario. En segundo lugar se propone una teoría de flujo de plasticidad incorporando efectos de tamaño superando algunos de los obstáculos de las teorías por deformación. El modelo constitutivo resultante y su correspondiente esquema de integración en el tiempo son acoplados al nuevo elemento formulado e implementados en subrutinas de usuario de ABAQUS. La validez de la estrategia es demostrada mediante simulaciones del ensayo de microflexión en láminas de níquel reportados en la literatura.