Los investigadores han desarrollado un nuevo y potente método para simular y predecir cómo se forman y crecen las grietas en materiales de ingeniería sometidos a cargas cíclicas.

El estudio, publicado recientemente en la International Journal of Fatigue, es resultado del trabajo de Miguel Castillón, y de los Profs. Javier Segurado e Ignacio Romero del Instituto IMDEA Materiales

La mecánica de la fractura y el análisis de la fatiga son dos teorías fundamentales para comprender el fallo de materiales y estructuras.

Mientras que la mecánica de la fractura proporciona un marco teórico para estudiar las condiciones de propagación cuasistática de grietas, el análisis de fatiga se centra en el comportamiento de los materiales bajo condiciones de carga cíclica.

Los modelos tradicionales de fatiga basados en campo de fases estiman la vida útil por fatiga simulando los ciclos de carga uno por uno, un proceso que se vuelve extremadamente lento y costoso computacionalmente cuando las grietas tardan millones de ciclos en desarrollarse.

Por el contrario, el nuevo método requiere una única simulación monotónica y aun así predice la vida por fatiga con gran precisión. Además, este enfoque puede aplicarse directamente a diferentes materiales sin necesidad de repetir las simulaciones para cada caso, ofreciendo una mayor flexibilidad y eficiencia en comparación con los métodos convencionales.

“El núcleo de esta nueva metodología radica en el desarrollo de novedosos solucionadores controlados por energía (longitud de grieta),” explican los autores del artículo. “Estos son capaces de seguir de forma robusta la trayectoria completa de equilibrio cuasistático de un cuerpo agrietado, incluyendo complejas inestabilidades de ‘snap-back’, en una sola simulación”.

La técnica funciona mediante la evaluación numérica de la derivada de la flexibilidad (compliance) de la muestra con respecto al área de grieta.

Para obtener esta flexibilidad, el marco se basa en una simulación PFF-FEM (Método de los Elementos Finitos), controlada imponiendo un crecimiento monótono de la grieta.

Esta información se utiliza junto con la Ley de Paris, una regla estándar de ingeniería para la predicción de la fatiga, para determinar cómo se propagará la grieta a lo largo del tiempo.

Dado que la simulación no necesita seguir cada ciclo, puede evaluar rápidamente problemas de fatiga a largo plazo, incluyendo fatiga de alto y ultra alto número de ciclos, sin coste computacional adicional.

“El marco propuesto aprovecha la simulación controlada por energía para calcular directamente la evolución de la flexibilidad de la probeta y su derivada con respecto a la longitud de la grieta”, afirman los autores.

“Esto evita la necesidad de simulaciones costosas ciclo a ciclo, ya que la vida por fatiga puede integrarse directamente utilizando la ley de Paris a partir de los datos de flexibilidad obtenidos de un único análisis cuasistático”.

“Esto reduce significativamente el coste computacional en comparación con los métodos ciclo a ciclo y evita el amplio trabajo de calibración que requieren otros modelos de fatiga por campo de fases”, concluyen.

El marco fue validado primero frente a soluciones analíticas y también mostró altos niveles de correlación con datos experimentales obtenidos de casos de prueba realistas con trayectorias de grieta desconocidas y curvas.

Todos los archivos necesarios para reproducir los resultados de este trabajo están disponibles en GitHub (Repositorio del artículo de Fatiga con Campo de Fase) y también pueden explorarse a través del sitio web del proyecto (Documentación de Fatiga con Campo de Fase).

Todas las simulaciones se realizaron utilizando el paquete PhaseFieldX (Repositorio de PhaseFieldX en GitHub), cuya documentación y ejemplos de uso están disponibles en (Documentación de PhaseFieldX), garantizando plena reproducibilidad, transparencia y fácil adaptación a diferentes materiales y geometrías.