We present a generalised phase field-based formulation for predicting fatigue crack growth in metals. The theoretical framework aims at covering a wide range of material behaviour. Different fatigue degradation functions are considered and their influence is benchmarked against experiments. The phase field constitutive theory accommodates the so-called AT1, AT2 and phase field-cohesive zone (PF-CZM) models. In regards to material deformation, both non-linear kinematic and isotropic hardening are considered, as well as the combination of the two. Moreover, a monolithic solution scheme based on quasi-Newton algorithms is presented and shown to significantly outperform staggered approaches. The potential of the computational framework is demonstrated by investigating several 2D and 3D boundary value problems of particular interest. Constitutive and numerical choices are compared and insight is gained into their differences and similarities. The framework enables predicting fatigue crack growth in arbitrary geometries and for materials exhibiting complex (cyclic) deformation and damage responses. The finite element code developed is made freely available at www.empaneda.com/codes.


翻译:理论框架旨在涵盖广泛的物质行为,考虑不同的疲劳降解功能,其影响以实验为基准; 阶段构成理论包括所谓的AT1、AT2和战地混合区(PF-CZM)模型; 关于物质变形,考虑的是非线性动力学和异向硬化,以及两者的结合; 此外,还提出并展示了以准纽顿算法为基础的单一式解决方案,明显超越了交错法。 计算框架的潜力表现为调查若干特别感兴趣的2D和3D边界值问题,比较了结构和数字选择,并了解了它们的差异和相似性; 该框架有助于预测任意的地理气象和显示复杂(循环)变形和损害反应的材料的疲劳率增长。

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