Ajankohtaista

Väitös: Tehokkaita malleja materiaalin murtumisen mallintamiseen (Linna)

Alkamisaika: keskiviikko 04. elokuuta 2004, 12.00

Päättymisaika: keskiviikko 04. elokuuta 2004, 00.00

Paikka: FYS-1, Ylistönrinne

TkL Riku Linnan fysiikan väitöskirjan "Dynamic Aspects in Brittle Fragmentation" (Dynaamiset piirteet hauraan materiaalin murtumisessa) tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Hans Herrmann (Institut für Computerphysik, Stuttgartin yliopisto, Saksa) ja kustoksena professori Jussi Timonen.

Riku Linna kehitti väitöstutkimuksessaan tehokkaita tietokoneohjelmia materiaalin murtumisen mallintamiseksi. Näitä laskennallisia malleja käyttäen hän tuotti uutta tietoa murtumista hallitsevista mekanismeista eri olosuhteissa. Laskennallisten tulosten perusteella on pystytty antamaan melko kattava kokonaiskuva murtumisesta. Eräiden johtavien kokeellisten ryhmien kanssa tehty yhteistyö on mahdollistanut esitettyjen mallien todentamisen. Kokeellisesti saadut murtokappaleiden massakokojakaumat selittyivät erinomaisesti.

Täysin uutena näkökulmana Linna esitti tutkimuksessaan murtuvan kappaleen ulotteisuuden vaikutuksen hallitsevan murtumismekanismin määräytymisessä. Tämä näkyy siten, että murtuminen tuottaa erilaisen murtokappaleiden kokojakauman sen mukaan, murtuuko esimerkiksi kaksiulotteinen levy kaksi- vai kolmiulotteisessa tilassa. Tilanteeseen vaikuttaa lisäksi murtumisen aiheuttavan kuormituksen ominaisuudet. Räjähdyksen kaltainen tilanne poikkeaa tasaisella voimalla aiheutetusta kuormituksesta.

Linnan tulokset antavat ensimmäistä kertaa ymmärrettävän selityksen pitkään avoinna olleisiin kokeellisiin tuloksiin, joten sillä on merkitystä alan tutkimuksessa. Lisäksi osoitettujen murtumismekanismien ymmärtäminen eri olosuhteissa tukee osaltaan käytännöllistä insinöörityötä mm. kallion louhinnassa ja kaivosteollisuudessa.


Lisätietoja:
Riku Linna, puh. (09) 451 3138, rpl@fyslab.hut.fi

Tiedottaja Liisa Harjula, puh. (014) 260 1043, tiedotus@jyu.fi, josta voi myös saada väittelijän kuvan sähköisessä muodossa.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa Department of Physics, University of Jyväskylä, Physics Report No. 3 / 2004. 96 s. Sitä saa fysiikan laitoksen kansliasta, puh. (014) 260 2350.

Riku Linna on kirjoittanut ylioppilaaksi vuonna 1984 Keminmaan lukiosta. Hän on suorittanut diplomi-insinöörin tutkinnon Oulun yliopiston sähkötekniikan osastossa vuonna 1990 ja tekniikan lisensiaatin tutkinnon Teknillisen korkeakoulun teknillisen fysiikan osastossa vuonna 1999. Linna on työskennellyt Oulun yliopiston sähkötekniikan osastossa sekä mikrolektroniikan ja materiaalifysiikan laboratorioissa. Hän on työskennellyt myös VTT Mittaustekniikassa, TKK:n sähkötekniikan osaston mittaustekniikan laboratoriossa, Helsingin fysiikan tutkimuslaitoksessa (HIP) sekä Vaisala Oyj tutkimusyksikössä. Parhaillaan hän työskentelee Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksessa.


Abstract

Fragmentation is a phenomenon which appears at all time and length scales in nature. Hence, it has a profound impact on many interesting physical and biological systems. Brittle fragmentation is free from effects due to plasticity and viscoelasticity and so serves as a test bench for understanding the fundamental mechanisms in fragmentation.

The aim of the present work is to investigate the inherent mechanisms of dynamic brittle fragmentation in different spatial dimensions. To this end, we introduce conceptual models of dynamic fragmentation. We also introduce two coarsegrained numerical models for generic brittle materials, which are dynamically realistic. The first numerical model describes fragmentation of D-dimensional objects in D-dimensional space for D = 2. In the model a two dimensional object under fragmentation is embedded in two dimensional space. The second numerical model is fully periodic (a torus), and describes fragmentation of a two dimensional object in three-dimensional space.

For the case when the spatial dimension equals that of the fragmenting object, an analytical model based on branching and merging of propagating cracks is introduced. Merging of side branches results in a scale-invariant fragment-size distribution with a universal scaling exponent (2D - 1)/D. The model is verified both numerically and experimentally. The experimental fragment-size distributions are given with excellent accuracy by the analytical model over several orders of magnitude in the small damping limit. Correlation length exponent is however shown to be non-universal and depend upon material and loading conditions.

With the second numerical model we show that the extra spatial dimension allows an additional (hierarchical) fragmentation mechanism on top of those related to mergers of uncorrelated cracks on the one hand and of their side branches on the other hand. Hierarchical mechanism also results in a scale invariant fragment-size distribution but with a different scaling exponent. This mechanism explains some experimental results which have previously been unexplained.

Tekijä

Liisa Harjula
liisa.harjula@adm.jyu.fi
JY viestintä
kuuluu seuraaviin kategorioihin: