相场断裂在氢辅助失效建模中的应用

相场断裂方法已成为一种有前景的计算工具，可用于建模多种问题，其中包括近来的氢脆与应力腐蚀开裂。本工作中，我们展示了基于相场的多物理场模型在转变含氢环境中结构部件的工程评估与设计方面的潜力。首先，我们提出了一个耦合变形、扩散与断裂的理论与数值框架，其中考虑了惯性效应。针对裂纹密度函数考虑了若干本构选择，包括含与不含损伤响应中弹性相的选择。材料韧性根据氢含量采用原子尺度信息的氢退化定律定义为函数。该模型使用有限元方法在二维与三维中数值实现。所得计算框架用于解决若干具有特别工程意义的案例研究。这些旨在展示模型的如下能力：(i) 捕捉复杂断裂现象，如动态裂纹分叉或孔洞-裂纹相互作用，(ii) 模拟关键部件（如螺栓）的标准化试验，以及 (iii) 通过将模型预测与大型工程部件的检测数据相耦合，实现基于仿真的范式如虚拟测试或数字孪生。可预测服役条件下缺陷的演化，直至最终失效。通过复现缺陷的精确几何形状（而非将其重新表征为尖锐裂纹），相场建模实现了更真实且有效的结构完整性评估。