Mathematical and computational modeling of shape-memory alloys

Abstract

This dissertation thesis is concerned with developing a mesoscopic model for sin- gle crystalline shape-memory alloys including thermo-dynamically consistent thermo- mechanical coupling - here the term "mesoscopic" refers to the ability of the model to capture fine spatial oscillations of the deformation gradient by means of gradient Young measures. Existence of solutions to the devised model is proved in a "phase-field-like approach" by a scale transition from a microscopic model that features a term related to the interfacial energy; this scale transition from a physically relevant model justifies the mesoscopic relaxation. Further, existence of solutions is also proved by backward- Euler time discretization which forms a conceptual numerical algorithm. Based on this conceptual algorithm a computer implementation of the model has been developed and further optimized in the rate-independent isothermal setting; some calculations using this implementation are also presented. Finally, refinements s of the analysis in the convex case as well as a limit of the phase-field-like approach in this case are exposed, too.

Tato dizertační práce se zabývá vývojem mesoskopického modelu monokrystalu slitin s pamětí tvaru zahrnujícího termodynamicky konsistentní popis termomechanických vazeb. Pod pojmem "mesoskopický" v tomto kontextu rozumíme schopnost modelu zachytit jemné prostorové oscilace deformačního gradientu pomocí gradientních Youn- gových měr. Existence řešení navrženého modelu byla dokázaná v tzv. "phase-field"- aproximaci pomocí přechodu z mikroskopického modelu obsahujícího člen popisující povrchovou energii. Tento přechod z fyzikálně relevantního modelu na jiné škále za- jistí oprávněnost mesoskopické relaxace. Existence řešení byla také dokázána zpětnou Eulerovou časovou diskretizací. Tato metoda tvoří koncept numerického algoritmu, na němž byla založena počítačová implementace navrženého modelu. Ta byla dále optimalizována pro rychlostně nezávislý isotermální případ. Vybrané výsledky simu- lací spočítaných touto implementací jsou rovněž prezentovány. V neposlední řadě jsou uvedena zjemnění analýzy v případě konvexní obálky Helmholtzovy volné energie a odpovídající limita phase-field aproximace.