Date of Award

6-2025

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Abdel Hamid Ismail Mourad

Second Advisor

Dr. Kassim Abdullah

Abstract

This dissertation investigates the slow crack growth (SCG) behavior of High-Density Polyethylene (HDPE) under various mechanical and environmental conditions. The study combines experimental analysis and computational modeling to enhance the understanding of SCG mechanisms in HDPE, particularly in pressurized pipes and under the exposure to hydrocarbons. A novel Crack Layer (CL) theory-based SCG model is developed and validated through experimental data, offering a predictive framework for HDPE failure assessment. The main objective of this dissertation is to quantify and model the viscoelastic-viscoplastic behavior of HDPE under monotonic and cyclic loading conditions while addressing SCG kinetics in structural applications. The study explores the effects of strain rate, temperature (23°C to 95°C), and hydrocarbon exposure on HDPE’s behavior. Additionally, a viscoplastic constitutive model is calibrated to capture thermo-viscoplastic responses, enabling accurate predictions of material deformation and crack propagation.

To achieve these objectives, SCG experiments are conducted on stiff constant-K (SCK) specimens and pressurized HDPE pipes with circumferential and butt-fusion joint cracks. A parametric study examines the influence of key factors such as stress intensity factor, transformation energy, and crack front kinetics. Computationally, Green’s functions, thermodynamic forces, and time-marching simulations are utilized to extend CL theory for SCG modeling in HDPE components. Furthermore, a diffusion-assisted SCG framework is introduced to assess the plasticization effects of hydrocarbons on fracture behavior and lifetime predictions.

The study successfully validates the CL-based SCG models with experimental results, demonstrating their accuracy in predicting failure times, crack growth rates, and discontinuous crack jumps in HDPE pipes. Findings reveal that external circumferential cracks in thin-walled pipes (SDR > 20) experience a 20–40% reduction in lifetime compared to internal cracks, highlighting the need for conservative design criteria. Additionally, hydrocarbon-induced plasticization accelerates SCG up to 5 times, significantly altering viscoelastic properties, including the glass transition temperature.

This dissertation makes important contributions to SCG analysis, computational modeling, and failure prediction of HDPE materials. Future work should focus on high-pressure in-situ testing and extended SCG validation to further refine HDPE lifetime predictions and ensure enhanced reliability in critical infrastructure applications.

Arabic Abstract


دراسة تجريبية وحاسوبية لنمو التشقق البطيء في البولي إيثيلين عالي الكثافة

تبحث هذه الأطروحة في سلوك النمو البطيء للتشقق (SCG) في مادة البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) تحت ظروف ميكانيكية وبيئية مختلفة. يجمع هذا البحث بين التحليل التجريبي والنمذجة الحاسوبية لتعزيز فهم آليات النمو البطيء للتشقق في HDPE، لا سيما في الأنابيب المضغوطة وعند التعرض للهيدروكربونات. تم تطوير نموذج جديد قائم على نظرية طبقة التشقق (CL) للنمو البطيء للتشقق وتمت مقارنته بالبيانات التجريبية، مما يوفر إطارًا تنبؤيًا لتقييم فشل مادة HDPE. الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو تحديد وتطوير نموذج لسلوك اللدونة اللزجة والمرونة اللزجة للبولي إيثيلين عالي الكثافة تحت ظروف التحميل الأحادي والدوري، مع معالجة حركية النمو البطيء للتشقق في التطبيقات الهيكلية. يستكشف البحث تأثير معدل الإجهاد ودرجة الحرارة (23°C إلى 95°C) والتعرض للهيدروكربونات على سلوك مادة HDPE. بالإضافة إلى ذلك، يتم معايرة نموذج تأسيسي للّزوجة اللدنة لالتقاط الاستجابات الحرارية اللدنة اللزجة، مما يمكن من التنبؤ الدقيق بتشوه المادة وانتشار التشققات.

لتحقيق هذه الأهداف، يتم تنفيذ تجارب SCG على عينات شد مضغوطة وعلى أنابيب HDPE المضغوطة التي تحتوي على تشققات محيطية وتشققات عند وصلات اللحام بالانصهار الطرفي. كما يتم إجراء دراسة بارامترية لتحليل تأثير العوامل الأساسية مثل عامل شدة الإجهاد، طاقة التحول، وحركية جبهة التشقق. ومن الناحية الحسابية، يتم استخدام دوال جرين، القوى الديناميكية الحرارية، ومحاكاة الخط الزمني لتوسيع نظرية طبقة التشقق (CL) لنمذجة النمو البطيء للتشقق في مكونات HDPE. علاوة على ذلك، يتم تقديم إطار عمل جديد قائم على الانتشار لتقييم تأثيرات تلدين الهيدروكربونات على سلوك الكسر والتنبؤ بعمر المادة . تُثبت الدراسة نجاح النماذج القائمة على نظرية CL للنمو البطيء للتشقق من خلال النتائج التجريبية، حيث أظهرت دقة عالية في التنبؤ بأوقات الفشل، معدلات نمو التشقق، والقفزات غير المستمرة للتشقق في أنابيب HDPE. تكشف النتائج أن التشققات المحيطية الخارجية في الأنابيب رقيقة الجدران (SDR > 20) تعاني من انخفاض في عمرها الافتراضي بنسبة 20-40% مقارنةً بالتشققات الداخلية، مما يؤكد الحاجة إلى معايير تصميم محافظة. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي تلدين الهيدروكربونات إلى تسريع SCG بمقدار يصل إلى 5 مرات، مما يؤثر بشكل كبير على الخصائص اللزجة المرنة، بما في ذلك درجة حرارة الانتقال الزجاجي .

تساهم هذه الأطروحة بشكل مهم في تحليل النمو البطيء للتشقق، النمذجة الحاسوبية، والتنبؤ بالفشل في مواد HDPE. ينبغي أن يركز العمل المستقبلي على الاختبار داخل الموقع تحت الضغط العالي والتوسع في التحقق من نماذج SCG، وذلك لتحسين دقة التنبؤ بالعمر الافتراضي لـ HDPEوضمان موثوقيته العالية في التطبيقات الحيوية للبنية التحتية.

Download

Share

COinS