Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε τρισδιάστατο αριθμητικό μοντέλο με βάση την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς συνδέσεων με κόλλα πολύστρωτων πλακών. Το μοντέλο αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το εμπορικό πακέτο πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Για την προσομοίωση της συμπεριφοράς της κόλλας χρησιμοποιήθηκαν δύο προσεγγίσεις: η μοντελοποίηση της ζώνης συνοχής και η μοντελοποίηση της βλάβης του συνεχούς μέσου. Οι δύο αυτές προσεγγίσεις συγκρίθηκαν τόσο ως προς την αξιοπιστία τους, η οποία καθορίζεται από την σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα, όσο και ως προς την ευκολία εφαρμογής τους, η οποία καθορίζεται από τα δεδομένα που απαιτούνται και τον υπολογιστικό χρόνο. Η σύγκριση των δύο μεθοδολογιών έγινε στην βάση της εφαρμογής τους για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς σε φόρτιση τύπου Ι σύνδεσης με κόλλα μεταξύ δύο ψευδοισότροπων CFRP πολύστρωτων πλακών. Το συγκεκριμένο πρόβλημα επελέγη διότι υπήρχαν διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα προς σύγκριση στο Εργαστήριο. Οι πολύστρωτες πλάκες μοντελοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το στρωματικό στοιχείο του ANSYS SOLID185. Στο στοιχείο αυτό κάθε στρώση μοντελοποιείται ξεχωριστά ως ορθότροπο υλικό. Η εφαρμογή της μοντελοποίησης της ζώνης συνοχής έγινε μέσω της χρήσης του στοιχείου του ANSYS INTER205. Για την εφαρμογή της μοντελοποίησης της βλάβης του συνεχούς μέσου αναπτύχθηκε μακρο-ρουτίνα χρησιμοποιώντας την γλώσσα προγραμματισμού του κώδικα ANSYS. Τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο μεθοδολογίες προσομοιώνουν με ικανοποιητική ακρίβεια την καμπύλη δύναμης-μετατόπισης της σύνδεσης. Σχετικά με την ευκολία εφαρμογής των δύο μεθόδων, η σύγκριση έδειξε ότι η μέθοδος της μοντελοποίησης της ζώνης συνοχής υπερτερεί έναντι της μεθόδου μοντελοποίησης της βλάβης του συνεχούς μέσου διότι απαιτεί μικρότερο αριθμό δεδομένων, μειονεκτεί όμως ως προς τον απαιτούμενο υπολογιστικό χρόνο. Και οι δύο μέθοδοι κρίνονται κατάλληλες για χρήση στην αριθμητική σχεδίαση συνδέσεων με κόλλα. / This work is based on the development of three-dimensional numerical model based on the finite element method to simulate the mechanical behavior of adhesive bonded joints in composite materials. The model was developed in finite element procedures under the framework of the commercial software ANSYS. To simulate the behavior of the adhesive used two approaches: the cohesive zone modeling (CZM) and the continuum damage modeling (CDM). These two approaches are compared both in terms of reliability, which is determined by comparison with experimental results, and applicability, which is determined by the parameters required and the computational time. The comparison between the two methodologies was the basis of their application to simulate the mechanical behavior under mode-I fracture behavior of adhesively bonded joints between two CFRP plates. This problem was chosen because there were experimental results to compare in the laboratory. The sandwich plates are modeled using the stromal element of ANSYS SOLID185. This item each layer separately modeled as orthotropic material. The adhesive is modeled using the interface element of ANSYS INTER205. For the purpose of modeling the failure of continuous medium developed macro routine using the programming language code ANSYS. The numerical results showed that both methodologies simulate sufficient precision the curve force-displacement of the connection. About applicability of the two methods, the comparison showed that the process of cohesive zone modeling outweighs the process of continuum damage modeling because it requires less number of parameters, but falls to the computational time. Both methods are suitable for use in numerical design of adhesively bonded joints.

Les matériaux composites sont utilisés dans le domaine maritime depuis des dizaines d’années que ce soit par exemple pour les éoliennes offshore ou encore les navires militaires étant donné leurs propriétés intrinsèques avantageuses pour de telles applications (faible masse, faible signature magnétique ...). Jusqu’ici les composites employés sont surtout composés de fibres de verre et de matrice polyester. Cependant, les demandes croissantes de navires toujours plus légers et rapides conduisent peu à peu les industriels à se tourner vers les composites à haute performance composés de fibres de carbone et de matrice époxyde. L’utilisation de cette nouvelle génération de matériau nécessite de connaître l’influence de l’endommagement plan, qui peut être d’origine hydrique ou mécanique, sur leur tenue hors-plan. Cette étude a montré une diminution importante de l’enveloppe de rupture du matériau étudié lorsqu’il a séjourné en eau de mer jusqu’à saturation. La résistance en traction hors-plan du composite n’est quant à elle que très peu affectée par la présence de fissures transverses dans le matériau, quel que soit son état de vieillissement. Des travaux ont également été menés sur des assemblages composites collés et mis en avant à la fois la chute de la tenue de l’assemblage due à la présence d’eau de mer dans la matrice époxyde, mais également la nécessité de la prise en compte du couplage endommagement plan/endommagement hors-plan pour la prédiction de la tenue hors-plan de tels assemblages. Enfin, différentes méthodes de prédiction ont été utilisées pour valider les résultats expérimentaux confirmant ainsi l’importance de la prise en compte de l’endommagement plan sur la tenue hors-plan des composites et des assemblages composites collés. / Composite materials have been used in marine applications for decades for offshore windmills or even battleships because of its intrinsic properties which are assets for such applications (low weight, low magnetic signature...). Until now the composites used are almost made of glass fibers and polyester matrix. However the increasing demand for faster and lighter ships gradually leads manufacturers to turn to high performance composites made of carbon fibers and epoxy matrix. Using this new generation of material requires knowing the influence of the in-plane damage which can be due to water or mechanical damage on its out-of-plane strength. This study has shown a significant reduction of the out-of-plane failure envelope of the studied material after an extended stay in seawater until the saturation point.The out-of-plane tensile strength of the composite is very little affected by transverse cracking in the material whatever the aging state. Work has also been carried out on composite bonded assemblies and pointed out, on the one hand, the drop of the assembly strength because of the water aging and, on the other hand, the necessity to take into account the coupling between in-plane and out-of-plane damage for the prediction of the out-of-plane strength of such assemblies. Finally, different methods of prediction have been used to validate the experimental results confirming the importance to take into account the in-plane damage to predict the out-of-plane strength of composites and composite bonded assemblies.

The phenomena studied in Fracture Mechanics can be observed either in Nature, the most sophisticated systems or ordinary structures. As a consequence, Engineers need to be alert for investigating the variety of complex mechanisms, related with fracture processes, which are capable of appearing in these systems. The possibility of failure is a real premise has to be considered not only in the design of structures, but also throughout their life. Undoubtedly, in this context Fracture Mechanics should be used to carry out prognostics of potential crack propagation patterns, verifying if there exists or not risk of keeping a structure in service usage. An alternative formulation widely applied to simulate fracture behavior is the Cohesive Zone Modeling (CZM) approach. It is a scientific branch of Fracture Mechanics originally proposed by Barenblatt (1959, 1962) and Dugdale (1960), and which after Xu and Needleman s works (1993, 1994) has acquired a great acceptance in scientific community. For this reason, the present work employs Xu and Needleman s model to simulate dynamic crack propagation in brittle materials, introducing the Software for Simulation of Dynamic Cohesive Fracture (DyCOH), which is based on Object-Oriented Programming (OOP) paradigm for facilitating future reuse and extension of implemented code. Using DyCOH software two numerical applications are shown. First, for verification purpose, the classical Xu and Needleman s problem is simulated and the response of DyCOH is compared with literature results. Second, for didactic aspiration, a simpler problem is studied in order to understand the influence of loading speed on fracture patterns of a tie-bar. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os fenômenos estudados pela Mecânica da Fratura podem ser observados na própria Natureza, em sistemas de altíssimo padrão tecnológico, bem como em estruturas mais tradicionais. Dessa forma, os engenheiros devem estar alerta para investigar a variedade de mecanismos complexos, relacionados aos processos de fratura, que podem surgir nesses sistemas. Nesse sentido, a possibilidade de falha precisa ser encarada como uma premissa real a ser observada não somente nas etapas de projeto, mas durante toda vida útil das estruturas. Sem dúvida, para auxiliar nessa tarefa, a Mecânica da Fratura pode ser utilizada através da realização de prognósticos dos potenciais padrões de propagação de trincas, verificando a existência ou não de risco de manter determinada estrutura em serviço. Uma formulação alternativa que vem sendo amplamente empregada para a simulação do comportamento a fratura é a de Modelos de Zona Coesiva. Estes formam um ramo da Mecânica da Fratura originalmente proposto por Barenbllat (1959, 1962) e Dugdale (1960), e que depois dos trabalhos de Xu e Needleman (1993, 1994) tem recebido uma grande aceitação no meio científico. Assim sendo, o presente trabalho emprega o modelo coesivo de Xu e Needleman para simulação da propagação dinâmica de fraturas em matérias frágeis, dando início a construção do DyCOH (Software for Simulation of Dynamic Cohesive Fracture ). Este é concebido com base nos conceitos de programação orientada a objetos, visando facilitar o reuso e a extensibilidade do código base. Através do DyCOH, duas aplicações numéricas são realizadas. Na primeira, o problema clássico de Xu e Needleman é simulado e os resultados obtidos pelo DyCOH são comparados com os disponíveis na literatura técnica, de forma a realizar a verificação numérica do código. No segundo, um problema mais simples é estudado com objetivo de entender a influência da velocidade de aplicação do carregamento no padrão de fraturamento de um tirante, permitindo observar a capacidade do DyCOH em reproduzir um exemplo mais didático.

Cette thèse est consacrée à la simulation du comportement à la rupture de bois sous des chargements à long terme et sous des conditions d'Humidité Relatives (HR) de l'air variables. Il est connu que le bois est un matériau fortement hygroscopique, ses propriétés mécaniques et de rupture sont en effet très dépendantes de sa teneur en eau. En outre, la stabilité d'une fissure existante dans un élément structural peut être fortement influencée parles variations, en particulier brusques, d'humidité relative qui peut conduire à la rupture inattendue de l'élément.L'approche thermodynamique proposée intègre l'effet de mécanosorption dans l'expression analytique de la déformation, en découplant les déformations mécaniques et celles dues au comportement mécanosorptif du matériau. En outre, la rupture quasi-fragile du matériau boisest traduite par un modèle de zone cohésive dont les paramètres de cohésion sont fonctions de la teneur en eau afin de simuler l’effet de l'humidité sur les propriétés de rupture. Sur cette base, une formulation incrémentale permet l'intégration de l'effet des variations soudaines d’humidité relative (autrement dit, le choc hydrique) sur la zone d’élaboration(zone cohésive) en introduisant un champ de contraintes supplémentaires le long de cette zone. Fonction de la variation de HR, ce champ de contraintes supplémentaires dépend de l'état de contrainte et de l'ouverture de la fissure le long de la zone cohésive, mais également de l'humidité en pointe de fissure (matériau non endommagé). Dans l'analyse par éléments finis, un opérateur tangent algorithmique est utilisé pour résoudre le problème non linéaire en combinant le modèle de mécanosorption et le modèle de zone cohésive et en intégrant l'effet du choc hydrique.La simulation du comportement d'une éprouvette entaillée soumise à un chargement constant et à des variations cycliques de HR montre un fort couplage entre le comportement mécanosorptif et l'effet du choc hydrique HR sur la zone d’élaboration. Ce couplage entraîne une augmentation de la propagation des fissures et conduit à une fissuration plus précoce par rapport à celle obtenue à partir du modèle de mécanosorption seul ou à partir du modèle de zone cohésive en intégrant l'effet des variations soudaines de HR. En outre, le couplage entre le modèle mécanosorptif et le modèle de zone cohésive en intégrant l'effet du chochydrique montre l'intérêt d'une telle approche numérique pour décrire le comportement complexe des éléments de charpente en bois soumis à des conditions climatiques variables,comportement qui ne peut être prédit par une simple superposition des deux modélisations. / This thesis is dedicated to the simulation of the fracture behavior of wood under long-termloading and variable relative humidity conditions. Indeed, wood is well-known to be a highlyhygroscopic material in so far as its mechanical and fracture properties are very dependenton moisture. Moreover, the stability of an existent crack in a structural element can bestrongly affected by the sudden variations of relative humidity (RH) and can lead tounexpected failure of the element.The thermodynamic approach proposed in this thesis includes the mechano-sorptive effect inthe analytical expression of the deformation, by operating a decoupling of the strain in amechanical part and a mechano-sorptive part in material. Moreover, the quasi-brittle fractureof wood is here simulated from a cohesive zone model whose cohesive parameters arefunctions of the moisture in order to mimic the moisture-dependent character of the fractureproperties. On this basis, an increment formulation allows the integration of the effect ofsudden RH variations on the fracture process zone (cohesive zone) by introducing anadditional stress field along this zone. As a function of the RH variation, this additional stressfield depends on not only the stress state and the crack opening along the cohesive zone butalso the material moisture ahead of the zone (undamaged material). In the finite elementanalysis, an algorithmic tangent operator is used to solve the non-linear problem combiningmechano-sorptive model and cohesive zone model including the effect of sudden RHvariations.The simulation of a notched structural element submitted to a constant load and cyclic RHvariations exhibits a strong coupling between the mechano-sorptive behavior and the effectof the RH variations on the fracture process zone (FPZ). This coupling results in an increaseof the crack propagation kinetic and leads to a precocious failure compared to those obtainedfrom the mechano-sorptive model or from the effect of sudden RH variations on the FPZ.Moreover, the coupling between the mechano-sorptive model and the effect of sudden RHvariations on the FPZ which cannot be predicted by a simple superposition of both effects,showing the interest of such a numerical approach in order to describe the complex behaviorof wood structural elements submitted to variable climatic conditions.

La rupture de plaque athérosclérotique est une complication grave, menant à des conséquences mortelles. En raison de la complexité du processus, les mécanismes de rupture de la plaque sont encore mal connus. Dans cette thèse, l'approche technique innovante pour mesurer la force d'adhérence développée précédemment sera appliquée à des souris. Elle comprend un protocole de délamination à petite échelle pour mesurer la résistance adhésive des plaques d'athérosclérose. Notre équipe à USC a été la première à effectuer ce type de mesures sur des souris. Une autre innovation de notre travail impliquera l'application d'un modèle de zone cohésive pour décrire le comportement de délamination des plaques athérosclérotiques dans une gamme de conditions physiologiques et physiopathologiques, en utilisant un modèle numérique 2D. Bien que l'approche de la zone cohésive ait été largement utilisée pour modéliser la mécanique des fractures, elle a rarement été appliquée pour décrire la rupture des plaques athérosclérotiques. L'étude de la délamination des plaques (Leng.2015) a été conçue pour tester l'utilisation de zones cohésives en mettant en œuvre une loi de séparation de traction spécifique, en supposant les valeurs des paramètres des lois de comportement de la plaque et de la zone cohésive en utilisant des valeurs de la littérature. L'innovation dans notre approche est d'utiliser une simple loi de séparation de la traction pour étudier le comportement des plaques et identifier leurs propriétés. Des résultats expérimentaux de délamination des plaques ont été utilisés dans la définition des lois de traction-séparation de la zone cohésive. / Atherosclerosis is the underlying cause of many cardiovascular diseases. Plaque rupture is a serious complication of advanced atherosclerosis, leading to life-threatening consequences. The mechanisms of atherosclerotic plaque progression and formation have been widely studied. However, due to the complexity of the process, plaque rupture mechanisms are still poorly understood. In this thesis, the innovative technical approach to measure the adhesive strength developed previously, will be applied to mice. It includes a micro-scale peel experiment protocol to measure adhesive strength of mouse atherosclerotic plaques during delamination from the underlying vessel wall. Our team at USC was the first to perform these types of measurements on mice. Another innovation of our work will involve application of a cohesive zone model to describe delamination behavior of atherosclerotic plaques under a range of physiological and pathophysiological conditions, using a 2D numerical model. While the cohesive zone approach has been widely used to model fracture mechanics, it was rarely applied to describe failure of atherosclerotic plaques. The study of plaque delamination (Leng.2015) was designed to test the use of cohesive zones by implementing a specific traction separation law, assuming the parameter values of the behavior laws of the plaque and the cohesive zone using values from the literature. Innovation in our approach is to use a simple traction separation law to study the behavior of plaques and identifying their properties. Experimental results of delamination of the plaques were used in the definition of traction-separation laws of the cohesive zone.

Nous étudions la fragilisation par l'hydrogène de l'alliage d'aluminium 7108. Une technique expérimentale spécifique a été développée : Un pré-chargement en hydrogène des échantillons, à travers un dépôt de nickel de quelques dizaines de microns, qui empêche la dissolution du substrat d'aluminium, est utilisé. Il permet la comparaison de la résistance à la fragilisation de différentes microstructures modèles. Nous étudions l'effet du traitement thermique et de la précipitation sur la sensibilité à l'hydrogène pour des vitesses de déformation macroscopiques imposées variables. Différents modes de rupture sont observés ainsi que des transitions entre eux. Au moyen de simulations numériques à l'échelle mésoscopique, l'effet de taille des précipités intergranulaires pré-fragilisés sur la ténacité des joints de grains est estimé, en utilisant un modèle de zone cohésive. Nous analysons la compétition entre la diffusion de l'hydrogène vers la pointe de la fissure et la vitesse de fissuration par un couplage mécanique - diffusion basé sur la diffusion de l'hydrogène assistée par la contrainte hydrostatique. Une vitesse critique au-delà de laquelle l'hydrogène ne peut plus suivre la fissure, est mise en évidence. L'influence de la microstructure du joint de grains sur cette vitesse est analysée. La valeur est comparée à une estimation des vitesses de propagation expérimentales obtenues pour différentes vitesses de déformation macroscopiques. Nous analysons l'effet du piégeage de l'hydrogène par les précipités intergranulaires et la désorption sur la répartition de l'hydrogène le long du joint de grains en imposant un flux au niveau de l'interface précipités - matrice. / We study the hydrogen embrittlement of the 7108 aluminum alloy. A specific experimental technique was developed : A hydrogen pre-charging, through few tens of microns of deposit of nickel, which prevents the dissolution of the aluminum substrate is used. It allows a comparison of the resistance to embrittlement of different model microstructures. We study the effect of heat treatment and intergranular precipitation on the susceptibility to hydrogen embrittlement for several macroscopic strain rates. Different failure modes and transitions between them are observed. Through numerical simulations, at the mesoscopic scale, the effect of the size of pre-weakened intergranular precipitates on the grain boundary toughness is estimated using a cohesive zone model. We further analyze the competition between the hydrogen diffusion toward the crack tip and crack velocity. For this purpose, a mechanical – diffusion coupling based on the hydrogen diffusion assisted by hydrostatic stress is elaborated. A critical crack velocity, beyond which hydrogen can no longer follow the crack, is highlighted. The influence of the grain boundary microstructure on this critical crack velocity is evaluated and its value is compared with an estimate of velocities obtained for different experimental macroscopic strain rates. We analyze the effect of hydrogen trapping by intergranular precipitates and hydrogen desorption by imposing a flux at the precipitates – matrix interfaces.

Die Arbeit beschreibt eine Modellierung des Materialverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden unter Berücksichtigung der lokalen Materialstruktur, den konstitutiven Eigenschaften der Verbundbestandteile sowie charakteristischer Schädigungsphönomene. Die Diskretisierung eines repräsentativen Ausschnitts der Materialstruktur erfolgt unter Verwendung der erweiterten Finiten-Elemente-Methode (XFEM). Sie ermöglicht die effiziente Modellierung des Steifigkeitssprunges an den inneren Materialgrenzen und deren Versagen. Der Verlauf der Elementgrenzen muss dabei nicht an die Materialstruktur angepasst werden. Für die Beschreibung der Dehnratenabhängigkeit der polymeren Matrix wird ein Modell der nichtlinearen fraktionalen Viskoelastizität angewendet. Die Kombination mit einem nichtlokalen Kontinuumsschädigungsmodell ermöglicht weiterhin die Modellierung einer verzerrungsgesteuerten Schädigung des Matrixwerkstoffs. Die Parametrisierung, Validierung des Gesamtmodells erfolgt anhand ausgewählter experimenteller Untersuchungen an einem unidirektional verstärkten Glasfaser-Polypropylen-Verbund. / The thesis addresses the modelling of the material behavior of fibre reinforced polymers. It systematically includes the influence of the local material structure, the mechanical behaviour of the consituents and characteristic damage phenomena. The diskretisation of a representative volume element of the material structure is based on the extended finite element method (XFEM). It allows for an efficient modelling of the stiffness jump at internal material boundaries as well as their damage. With the XFEM, the element boundaries are no longer required to coincide with the material structure. The approximation of the strain rate dependence of the polymeric matrix is based on a nonlinear, fractional viscoelasticity approach. Its combination with a nonlocal strain driven continuum damage modell allows for the modelling of damage effects. The parametrisation and validation of the overall approach is based on a comparison with experimental results for a unidirectional reinforced glass-fibre-polypropylene composite.

In the present thesis the crack propagation in the ductile-brittle transition region is studied on two scales with deterministic models. In the macroscopic model the ductile failure is described by a non-local Gurson-model whereas the discrete void microstructure is resolved around the crack tip in the microscopic model. The failure by cleavage is not evaluated by means of a post-processing criterion but is modeled equivalently using a cohesive zone model on both scales. Thus, cleavage is not a priori identified with unstable crack propagation but the transition between stable and unstable mode of propagation is a result of the simulation. The problem of handling completely failed material within the framework of non-local damage models is pointed out. A method to overcome this problem is proposed and successfully applied. The case of contained plastic yielding at the crack tip is addressed with a modified-boundary layer model. The macroscopic simulations reproduce many features which are known from experiments like the formation of stretch zones, cleavage after initial ductile tearing, pop-ins with crack arrest, among others. The microscopic simulations substantiate the understanding of the macroscopically observed behavior. Systematic parameter studies are performed. Starting with considerations on the limit cases like pure ductile failure or the lower-ductile brittle transition region allows to separate the effects of the different constitutive parameters. Based on these results, a methodology is proposed to extract the macroscopic material parameters from experiments. This scheme is successfully applied to experimental data from literature. The results show that the behavior of a low-constraint specimen can be reliably predicted with the parameters extracted from a high-constraint specimen. / In der vorliegenden Arbeit wird die Rissausbreitung im spröd-duktilen Übergangsbereich auf zwei Skalen mittels deterministischer Modelle untersucht. Das duktile Versagen wird im makroskopischen Modell durch ein nichtlokales Gurson-Modell beschrieben, während im mikroskopischen Modell die Porenmikrostruktur im Bereich um die Rissspitze diskret aufgelöst wird. Das mögliche Versagen durch Spaltbruch wird nicht, wie üblich, nachträglich durch ein spannungsbasiertes Kriterium bewertet. Stattdessen wird der Spaltbruch auf beiden Skalen durch ein Kohäsivzonenmodell abgebildet. Somit wird die Spaltbruchinitiierung nicht a priori mit instabiler Rissausbreitung gleichgesetzt. Vielmehr ist die Stabilität der Rissausbreitung ein Ergebnis der Simulationen. Außerdem wird das Problem der der Handhabung vollständig ausgefallenen Materials im Rahmen nichtlokaler Schädigungsmodelle herausgestellt. Es wird eine Methode vorgestellt, dieses Problem zu behandeln und erfolgreich angewendet. In den Simulationen wird der Fall vollständig eingebetteten, plastischen Fließens untersucht. Die Simulationen mit dem makroskopischen Modell geben viele Effekte wieder, die aus Experimenten bekannt sind. Dazu zählen die Ausbildung von Stretchzonen, die Spaltbruchinitiierung nach anfänglichem, duktilem Reißen oder lokale Instabilitäten mit Rissarrest. Die mikroskopischen Simulationen tragen zum Verständnis des makroskopisch beobachteten Verhaltens bei. In der vorliegenden Arbeit werden systematische Parameterstudien durchgeführt. Zunächst werden Grenzfälle wie das rein duktile Versagens oder der Spaltbruch in Abwesenheit der Mikroporen untersucht, um die Einflüsse der einzelnen Materialparameter abzugrenzen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird eine Prozedur vorgeschlagen, die Materialparameter des makroskopischen Modells Schritt für Schritt aus Experimenten zu bestimmen. Diese Prozedur wird erfolgreich auf experimentelle Daten aus der Literatur angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass es das entwickelte Modell erlaubt, das Verhalten einer Bruchmechanikprobe mit geringer Dehnungsbehinderung an der Rissspitze mit denjenigen Materialparametern vorherzusagen, die an Proben mit einer hohen Dehnungsbehinderung ermittelt wurden.

Zyklische Kohäsivzonenmodelle beschreiben irreversibles Separationsverhalten und Schädigungsakkumulation unter zyklischer Belastung. In der vorliegenden Arbeit wird die Formulierung zyklischer Kohäsivzonenmodelle systematisiert und ihr Potenzial zur Simulation von Ermüdungsvorgängen analysiert. Die Kohäsivspannungs-Separations-Beziehungen werden auf Basis etablierter thermodynamischer Konzepte der Schädigungsmechanik aufgestellt. Zyklische Schädigungsakkumulation wird über die Entwicklungsgleichung der Schädigungsvariablen unter Berücksichtigung einer zustandsabhängigen Dauerfestigkeit beschrieben. Das Kohäsivzonenmodell wird erfolgreich für die Simulation von Werkstoffermüdung angewandt. Numerisch mithilfe der Methode der finiten Elemente erzeugte Rissfortschrittskurven bilden das experimentell beobachtete Ermüdungsrisswachstumsverhalten in allen Bereichen ab. Über Parameterstudien wird der Einfluss der einzelnen Modellparameter ermittelt. Darüber hinaus wird die Anwendung des zyklischen Kohäsivzonenmodells auf die Simulation von Wöhler-Versuchen vorgestellt und der Probengrößeneffekt auf das Ermüdungsverhalten untersucht. Der Zusammenhang zwischen den lokalen Beanspruchungszuständen in der Kohäsivzone und dem vorhergesagten globalen Versagensverhalten wird aufgeklärt. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für ein Konzept zur Identifikation der Kohäsivparameter, das auf der Auswertung von Wöhler- und Rissfortschrittskurven beruht. / Cyclic cohesive zone models describe irreversible separation behaviour and damage accumulation under cyclic loading. In the present thesis, the formulation of cyclic cohesive zone models is systemised and their potential to simulate fatigue processes is analysed. The relation between traction and separation is described based on established thermodynamical concepts of damage mechanics. Cyclic damage accumulation is controlled by a damage evolution equation taking into account a state-dependent endurance limit. The cohesive zone model is applied successfully to the simulation of material fatigue. Fatigue crack growth rate curves, which were obtained numerically by means of the finite element method, reproduce the experimentally observed behaviour in all stages. The influences of the particular parameters of the model are determined by parametric studies. In addition, simulations of uniaxial fatigue tests using the cyclic cohesive zone model are presented. Furthermore, the size effect on the fatigue behaviour is investigated. The relation between the local states within the cohesive zone and the predicted global failure modes is explained. These findings form the foundation for a concept of parameter identification which bases on the evaluation of Wöhler-curves and fatigue crack growth rate curves.

In der vorliegenden Arbeit wird das bruchmechanische Verhalten von Materialien untersucht, welche mit einer Faserverstärkung ausgestattet sind. Dies geschieht unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Ergebnisse und Methoden aus der stochastischen Geometrie. Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modells einer stochastischen kohäsiven Zone, welche bruchmechanische Vorgänge nahe der Rissspitze faserverstärkter Materialien beschreibt. Hierbei können Eigenschaften der zufälligen Natur der Faserverstärkung wie z.B. die Verteilung der Faserlänge und -orientierung aber auch der Natur der zufälligen Lage der Fasern zueinander verwendet werden. Mit Hilfe dieser und weiterer Charakteristiken des faserverstärkten Materials kann sowie der mittlere mechanische Widerstand gegen Rissöffnung als auch die Varianz desselben berechnet werden. Damit bildet diese Arbeit eine wesentliche Erweiterung und Verallgemeinerung ähnlicher Ergebnisse aus der Vergangenheit, welche mit diesem Thema beschäftigten. Darin wird lediglich der mittlere mechanische Widerstand unter Annahme konstanter Faserlänge und isortroper Faserorientierung thematisiert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass für Materialien mit gestreuter Faserlänge diese Annahme zu erheblichen Modellierungsfehlern führen kann. Darüber hinaus wird ein numerisches Verfahren vorgeschlagen um die erarbeiteten mathematischen Gleichungen effizient auszuwerten. Mit Hilfe der damit verbundenen Berechnungen und praktischen Messungen an faserverstärkten Materialien konnten die Ergebnisse des stochastischen Modells validiert werden.:1. Einleitung 2. Grundlagen und Begriffe 3. Stochastische Darstellung von Fasersystemen 4. Modellierung des mittleren Spannungs-Separations-Verhaltens 5. Die Varianz des Separationswiderstands 6. Monte-Carlo-Simulation der Modus-I-Separation mit Fasern 7. Experimentelle Validierung und Anwendung des stocahstischen Modells 8. Zusammenfassung und Ausblick