Software informático predice cuándo se agrietarán los materiales de construcción

La mayoría de las estructuras y materiales tienen defectos, y si las condiciones son correctas, estos defectos pueden conducir al inicio y propagación de grietas, averiguar dónde y con qué orientación es más probable que se inicie una grieta superficial es una parte crítica del análisis y diseño de una estructura.

Un dato importante para calcular en este tipo de análisis es la tasa de liberación de energía, que es la energía disponible para la propagación de grietas; la velocidad de liberación de energía se compara con la resistencia a la fractura, una propiedad del material que describe la energía requerida para que se propague una grieta.

Calcular la tasa de liberación de energía para las ubicaciones y orientaciones potenciales infinitas de una grieta superficial en una estructura tridimensional usando métodos convencionales es una tarea exhaustiva porque se necesita realizar un análisis detallado para cada ubicación y orientación de la grieta.

Un nuevo método desarrollado por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign puede determinar la ubicación y dirección de una grieta crítica en una estructura con un solo análisis por medio de software especializado.

"Este nuevo software nos permite simplificar enormemente el análisis, porque en lugar de tener que hacer un análisis para cada ubicación potencial de una grieta a lo largo de la superficie de una determinada estructura, realizamos un análisis único del dominio no descifrado, que es mucho más barato y más rápido de resolver, esto reduce la cantidad de trabajo computacional en órdenes de magnitud ", explicó el profesor del Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Philippe Geubelle.

Para obtener una estimación precisa de la tasa de liberación de energía, el método actual requiere un análisis numérico con una cuadrícula muy fina para discretizar la estructura, especialmente en las proximidades de la grieta. Geubelle dijo que este nuevo método utiliza derivados topológicos para obtener una estimación de cuál sería la liberación de energía si apareciera una grieta en cualquier lugar y con esta orientación a lo largo de la superficie de una estructura tridimensional.

"Con éste software, podemos determinar de inmediato la ubicación y orientación que corresponde a la tasa de liberación de energía más alta, es decir, la energía más alta disponible para la propagación de grietas, si la tasa de liberación de energía es menor que la resistencia a la fractura, la grieta no se propagará, sin embargo, si la tasa de liberación de energía se aproxima al valor de la resistencia a la fractura, entonces la estructura necesitará un rediseño".

El nuevo software se puede combinar con paquetes comerciales de software para elementos finitos como Ansys, Abaqus y Nastran.

"Lo que este método nos permite hacer es decir, 'dame una forma complicada y condiciones de carga complejas, y te diremos la ubicación más probable donde comenzará una grieta en la superficie'", dijo Geubelle.

El estudio, "Aproximación de la tasa de liberación de energía para pequeñas grietas superficiales en dominios tridimensionales utilizando el derivado topológico", fue escrito por Kazem Alidoost, Meng Feng, Philippe H. Geubelle y Daniel A. Tortorelli. Aparece en el Journal of Applied Mechanics .