Configurational Mechanics of Soft Materials: Revolutionising Geometrically Nonlinear Fracture

Opis projektu

Lepsze zrozumienie pęknięć miękkich materiałów skutkuje lepszymi konstrukcjami

Twarde materiały takie jak metale, tworzywa sztuczne i kompozyty stanowią podstawę rozwoju urządzeń. Ze względu na fakt, że miękkie materiały coraz częściej znajdują zastosowanie w takich dziedzinach jak inżynieria tkankowa, miękka robotyka i rozciągliwa elektronika, konieczne staje się lepsze scharakteryzowanie ich geometrycznie nieliniowej mechaniki pękania, jako że mogą one podlegać bardzo dużym odkształceniom. Zespół finansowanego przez ERBN projektu SoftFrac postara się odpowiedzieć na to zapotrzebowanie poprzez połączone podejście teoretyczne, obliczeniowe i eksperymentalne. Wykorzystując rozwój „mechaniki konfiguracyjnej”, zespół SoftFrac opracuje przełomową teorię i model pęknięć. Eksperymentalne badania geometrycznie nieliniowego pękania miękkich materiałów pozwolą na dalsze udoskonalenie modelu i pozwolą na racjonalne i ulepszone projektowanie miękkich materiałów w celu zminimalizowania pęknięć.

Cel

SoftFrac will revolutionise geometrically nonlinear fracture mechanics of soft materials (in short soft fracture) by capitalising on configurational mechanics, an unconventional continuum formulation that I helped shaping over the past decades. Mastering soft fracture will result in disruptive progress in designing the failure resilience of soft devices, i.e. soft robotics, stretchable electronics and tissue engineering applications. Soft materials are challenging since they can display moduli as low as only a few kPa, thus allowing for extremely large deformations. Geometrically linear fracture mechanics is well established, nevertheless not applicable for soft fracture given the over-restrictive assumptions of infinitesimal deformations. The appropriate geometrically nonlinear, finite deformation counterpart is, however, still in its infancy. By combining innovative data-driven/data-adaptive constitutive modelling with novel configurational-force-driven fracture onset and crack propagation, I will overcome the fundamental obstacles to date preventing significant progress in soft fracture. I propose three interwoven research Threads jointly addressing challenging theoretical, computational and experimental problems in soft fracture. The theoretical Thread establishes a new constitutive modelling ansatz for soft in/elastic materials, and develops the transformational configurational fracture approach. The computational Thread provides the associated novel algorithmic setting and delivers high-fidelity discretisation schemes to numerically follow crack propagation driven by accurately determined configurational forces. The experimental Thread generates and analyses comprehensive experimental data of soft materials and their geometrically nonlinear fracture for properly calibrating and validating the theoretical and computational developments. Ultimately, SoftFrac, for the first time, opens up new horizons for holistically exploring the nascent field soft fracture.