Modelo de dano dúctil-hidrolítico acoplado para materiais elasto-viscoplásticos baseado em atualizações constitutivas variacionais

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.Motivada pelo crescente uso de materiais poliméricos bioabsorvíveis no projeto e fabricação de implantes de uso médico (âncoras de sutura, parafusos de interferência, pinos, suportes, stents, a presente tese tem como objetivo propor um modelo constitutivo capaz de representar a resposta mecânica de materiais que, quando submetidos a solicitações mecânicas e químicas, apresentam comportamento resultante do acoplamento de deformações elasto-viscoplásticas, dano dúctil e dano decorrente de degradação química (hidrólise). O modelo foi formulado em um contexto de cinemática não linear, de maneira a permitir simulações que consideram deslocamentos e deformações finitas condizentes com a baixa rigidez dos materiais poliméricos. O modelo proposto é sustentado por uma base teórica termodinamicamente consistente e utiliza variáveis internas para tratamento dos fenômenos dissipativos. A atualização temporal das variáveis internas segue princípios variacionais relacionados a caminhos de extremização de funções potenciais. O algoritmo de atualização resultante possui uma estrutura operacional simples que confere robustez ao procedimento. O modelo foi implementado numericamente em um código de elementos finitos acadêmico bem como em um programa comercial (ABAQUS/UMAT), viabilizando assim a simulação de geometrias e condições de carregamento complexas. Vários testes numéricos que reproduzem situações típicas de aplicação foram executados e discutidos, permitindo comprovar a eficácia do modelo proposto em acoplar os fenômenos citados e possibilitando estimar a resposta de dispositivos submetidos simultaneamente a solicitações mecânicas e químicas. Assim, comprova-se o real potencial da formulação proposta no auxílio ao desenvolvimento e verificação de projetos de novos produtos.Abstract : Having been motivated by the increasing use of bioabsorbable materials for the design and production of medical devices (suture anchors, interference screws, pins, scaffolds, stents), this thesis aims at proposing a constitutive model capable of representing the mechanical behavior of materials that, once subjected to mechanical and chemical loading conditions, respond by means of coupling effects between elastic-viscoplastic deformation, ductile damage and chemical (hydrolytic) degradation. The model is formulated in the context of nonlinear kinematics allowing for finite deformations associated with polymeric materials. The formulation is grounded on a consistent thermodynamic theory and makes use of internal variables in order to deal with dissipative phenomena. The incremental update of internal variables follows variational principles related to the extremization of potential functions. The update-algorithm has a simple operational scheme, resulting in a robust computational procedure. The model was implemented into an in-house finite-element academic code as well as into a commercial software (ABAQUS/UMAT),making possible the simulation of complex geometric and loading conditions. Several numerical tests reproducing aspects of typical applications were performed and the results reported are then discussed. By doing so, the effectiveness of such a proposal in representing the above-mentioned coupling effects and its real potential to support the development and verification of new products are attested