Finite element analysis of void growth in elastic-plastic materials

Three-dimensional finite element computations have been carried out for the growth of initially spherical voids in periodic cubic arrays and for initially spherical voids ahead of a blunting mode I plane strain crack tip. The numerical method is based on finite strain theory and the computations are three-dimensional. The void cubic arrays are subjected to macroscopically uniform fields of uniaxial tension, pure shear and high triaxial stress. The macroscopic stress-strain behavior and the change in void volume were obtained for two initial void volume fractions. The calculations show that void shape, void interaction and loss of load carrying capacity depend strongly on the triaxiality of the stress field. The results of the finite element computation were compared with several dilatant plasticity continuum models for porous materials. None of the models agrees completely with the finite element calculations. Agreement of the finite element results with any particular constitutive model depended on the level of macroscopic strain and the triaxiality of the remote uniform stress field. For the problem of the initial spherical voids directly ahead of a blunting mode I plane strain crack tip, conditions of small scale yielding were assumed. The near tip stress and deformation fields were obtained for different void-size-to-spacing ratios for perfectly plastic materials. The calculations show that the holes spread towards the crack tip and towards each other at a faster rate than they elongate in the tensile direction. The computed void growth rates are compared with previous models for void growth.

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Résumé On a effectué des calculs par éléments finis à trois dimensions pour l'étude de la croissance de lacunes, initialement sphériques, selon des arrangements en cubes périodiques, et pour des lacunes initialement sphériques se formant en avant de l'extrémité arrondie d'une fissure sollicitée en état de déformation plane et selon un Mode I. La méthode numérique est basée sur la théorie des dilatations finies et les calculs sont effectués en trois dimensions.La disposition en cubes des lacunes est sujette à des champs macroscopiquement uniformes de tractions uniaxiales, de cisaillement pur et de contraintes à haute triaxialité. Le comportement macroscopique en contraintes-dilatations et le changement de volume des lacunes ont été obtenus pour deux fractions du volume initial de cavités.Les calculs montrent que la forme des cavités, leurs interactions et la perte résultante de capacité de change dépendent fortement de la triaxialité du champ de contraintes. On compare les résultats des calculs par éléments finis avec divers modèles de continuum à plasticité dilatante applicable à des matériaux poreux. Aucun de ces modèles n'est en accord complet avec les calculs par éléments finis. L'accord des résultats par éléments finis avec un modèle constitutif particulier dépend du niveau de déformation macroscopique et de la triaxialité du champ des contraintes uniformes agissant à distance. On a supposé des conditions d'écoulement plastique à petite échelle, pour résoudre le problème des lacunes initialement sphériques se trouvant directement en avant de l'extrémité d'une fissure arrondie sollicitée en Mode I et en déformation plane.Les champs de contrainte et de déformation près de la pointe de la fissure sont obtenus pour des matériaux parfaitement plastiques et pour différents rapports dimensions/espacements.Les calculs montrent que les cavités se développent vers l'extrémité de la fissure et l'une vers l'autre à une vitesse plus grande qu'elles ne s'allongent dans la direction de la contrainte de traction.On compare les vitesses calculées de croissance des lacunes avec celles fournies par de précédents modèles.