Abstract

The objective of ITER is to build a new Tokamak, with the goal of demonstrating the scientific and technical feasibility of fusion power. The First Wall Panels are the inner component of the reactor, built with different materials that must support high heat flux levels inside the vacuum vessel. The manufacturing processes of the First Wall are a complex procedure including bending, hipping and cutting procedures which, in general, lead to residual stresses and distortions of the fabricated component. In this work, the analysis of the thermo-mechanical response of a simplified prototype of the ITER NHF First Wall Panel is presented from the numerical point of view. The experimental procedure within each phase of the whole manufacturing process is described. Residual stresses and distortions have been measured and analyzed. The numerical simulation of the manufacturing process includes the description of the main hypothesis, the applied loads and the boundary conditions assumed at every stage of the process. Special attention is paid to the simulation of machining and cutting by means of an ad-hoc element deactivation strategy. The numerical results are compared with the experimental evidence to show the prediction capability and the limitations of the proposed numerical model.

Abstract

The use of fiber-reinforced polymer (FRP) composites in structural applications is increasingly widespread due to their light weight and load-bearing capacity. However, their behavior under fire exposure presents unique challenges—such as thermal buckling and post-buckling response—that current regulations, including Eurocode and SOLAS, do not specifically address. This work investigates the phenomenon of thermo-inelastic buckling in composites, taking into account their flexibility, thermal degradation, and natural imperfections. A modeling approach is proposed that integrates Felippa’s corotational theory, isotropic damage models with SPROM, and thermo-mechanical coupling. These methodologies are validated across scenarios ranging from one-dimensional to three-dimensional thermal buckling, including experimental validation. The results highlight the limitations of traditional approaches based on slenderness and inelasticity, such as the Tsai-Wu method, and emphasize the need for design frameworks that incorporate structural fire response in composite materials. This work aims to bridge the gap between the growing use of these materials and the design methodologies required for fire-resistant applications.

Abstract

 In certain relevant engineering problems, the mechanical field is strongly coupled with the temperature and mass transport fields. The solution to these problems is complex, especially when deformations are large. Therefore, numerical approximations are often used to find all the fields involved in the coupled problem, their effects, and their interactions. This article describes a finite element method discretization of the coupled problem of diffusion, temperature, and deformation, including the nonlinear range of deformations. The formulation takes into account all possible couplings between the three fields of study, and all the necessary details for its complete implementation are provided, filling a gap in the literature of these methods. Additionally, the article describes the thermodynamic foundation of coupled thermo-diffusive-mechanical problems, emphasizing the derivation of balance equations and constraints that follow from these condlaw of thermodynamics. The results of the article will be of interest tore searchers who need to implement the equations of coupled problems infinite element codes, particularly for applications in battery modeling, the behavior of metals under the effects of hydrogen, gels, etc.

Abstract

En algunos problemas relevantes de la ingeniería, el campo mecánico está fuertemente acoplado con el de temperatura y el de transporte de masa. La solución de estos problemas es compleja sobre todo cuando las deformaciones son grandes. Por ello, a menudo se acude a aproximaciones numéricas que pueden encontrar todos los campos involucrados en el problema acoplado, sus efectos y sus interacciones. En este artículo se describe una discretización por el método de los elementos finitos del problema acoplado de difusión, temperatura y deformación incluyendo el rango no lineal de deformaciones. La formulación tiene en cuenta todos los acoplamientos posibles entre los tres campos de estudio y se proporcionan todos los detalles necesarios para su completa implementación llenando un hueco de la literatura de estos métodos. Asimismo, el artículo describe la fundamentación termodinámica de los problemas acoplados termo-difusivo-mecánicos, insistiendo en la derivación de las ecuaciones de balance y restricciones que siguen de la segunda ley de la termodinámica. Los resultados del artículo serán de interés para investigadores que necesiten implementar las ecuaciones de problemas acoplados en códigos de elementos finitos y, en particular, para aplicaciones en el modelado de baterías, del comportamiento de metales bajo los efectos del hidrógeno, de geles, etc.

Abstract

En algunos problemas relevantes de la ingeniería, el campo mecánico está fuertemente acoplado con el de temperatura y el de transporte de masa. La solución de estos problemas es compleja sobre todo cuando las deformaciones son grandes. Por ello, a menudo se acude a aproximaciones numéricas que pueden encontrar todos los campos involucrados en el problema acoplado, sus efectos y sus interacciones. En este artículo se describe una discretización por el método de los elementos finitos del problema acoplado de difusión, temperatura y deformación incluyendo el rango no lineal de deformaciones. La formulación tiene en cuenta todos los acoplamientos posibles entre los tres campos de estudio y se proporcionan todos los detalles necesarios para su completa implementación llenando un hueco de la literatura de estos métodos. Asimismo, el artículo describe la fundamentación termodinámica de los problemas acoplados termo-difusivo-mecánicos, insistiendo en la derivación de las ecuaciones de balance y restricciones que siguen de la segunda ley de la termodinámica. Los resultados del artículo serán de interés para investigadores que necesiten implementar las ecuaciones de problemas acoplados en códigos de elementos finitos y, en particular, para aplicaciones en el modelado de baterías, del comportamiento de metales bajo los efectos del hidrógeno, de geles, etc.