侯赛因·艾哈迈迪安;杨明（Yang，Ming）;阿南德·纳加拉詹;Soghrati、Soheil 纤维形状和错位对碳纤维增强聚合物失效响应的影响。 （英语） Zbl 1465.74153号 计算。机械。 63，第5号，999-1017（2019）. 摘要：提出了一个集成的计算框架，用于自动建模和模拟具有任意形状、随机错位嵌入纤维的碳纤维增强聚合物（CFRP）的失效响应。该方法基于一种新的基于填充/重定位的重建算法来合成碳纤维增强塑料（CFRP）的真实三维代表性体积单元（RVE）。然后使用非迭代网格生成算法创建每个RVE的高质量有限元模型。分别使用环氧树脂基体和沿纤维基体界面的延性和粘性接触损伤模型模拟CFRP的失效响应。除了研究纤维错位的影响外，该计算框架还用于研究纤维横截面几何形状（圆形与椭圆形）对CFRP强度、延展性和韧性的影响，CFRP承受横向施加到纤维方向的拉伸和压缩载荷。 引用于6文件 MSC公司： 74卢比99 断裂和损坏 74E30型 复合材料和混合物特性 74E35型 固体力学中的随机结构 74S05号 有限元方法在固体力学问题中的应用 关键词：随机纤维增强复合材料;横截面几何形状;损害;有限元法 软件：海普拉斯;三角形 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{H.Ahmadian}等人，计算。机械。63，第5号，999--1017（2019；Zbl 1465.74153） 全文： 内政部 参考文献： [1] Freeman WT（1993）《复合材料在飞机主要结构中的应用》。作曲工程3（7）：767-775 [2] Morgan P（2005）碳纤维及其复合材料。博卡拉顿CRC出版社 [3] Chung D（2012）碳纤维复合材料。巴特沃斯·海尼曼，牛津 [4] Klier T，Linn J（2010）《公司平均燃油经济性标准和新车市场》。Resour Futur讨论纸3（1）：445-462 [5] Buffere JY、Maire E、Verdu C、Cloetens P、Pateyron M、Peix G、Baruchel J（1997）使用同步辐射x射线显微摄影术对Al/SiC复合材料在单调拉伸试验期间的损伤评估。材料科学与工程A 234:633-635 [6] Kastner J，Harrer B，Degischer HP（2011）铸造铝合金三维微观结构的高分辨率锥束x射线计算机断层扫描。材料特性62（1）：99-107 [7] Martin-Herrero J，Germain Ch（2007），纤维C/C复合材料的x射线显微层析微观结构重建。碳45（6）：1242-1253 [8] Sheidaei A、Baniassadi M、Banu M、Askeland P、Pahlavanpour M、Kuuttila N、Pourboghrat F、Drzal LT、Garmestani H（2013）使用FIB-SEM和统计相关函数重建聚合物纳米复合材料的三维微观结构。复合科技80:47-54 [9] Ahmadian H，Liang B，Soghrati S（2017）模拟碳纤维增强聚合物复合材料失效响应的集成计算框架。计算力学60（6）：1033-1055 [10] Xu H，Dikin DA，Burkhart C，Chen W（2014）基于描述性的显微结构材料统计表征和三维重建方法。计算机材料科学85:206-216 [11] Xu H，Liu R，Choudhary A，Chen W（2015）设计异质微结构的基于机器学习的设计表示方法。机械设计杂志137（5）：051403 [12] Beasley D、Martin RR、Bull DR（1993）《遗传算法概述：第1部分》。基础知识。大学计算机15:58-58 [13] MatoušK，LepšM，Zeman J，Šejnoha M（2000）将遗传算法应用于工程实践中常见的选定主题。计算方法应用机械工程190（13）：1629-1650·Zbl 0969.74050号 [14] Yeong CLY，Torquato S（1998）重建随机介质。物理版E 57（1）：495 [15] Torquato S（2013）《随机异质材料：微观结构和宏观性能》，第16卷。柏林施普林格·Zbl 0988.74001号 [16] Ghosh S、Nowak Z、Lee K（1997），通过voronoi细胞对复合微观结构进行定量表征和建模。《材料学报》45（6）：2215-2234 [17] Fritzen F，Böhlke T（2011）颗粒增强复合材料的周期性三维网格生成及其在金属基复合材料中的应用。国际J固体结构48（5）：706-718·Zbl 1236.74058号 [18] Yu M，Zhu P，Ma Y（2013）颗粒聚集对空心球填充复合泡沫塑料拉伸性能和破坏机制的影响：基于微观结构建模的数值研究。材料设计47:80-89 [19] Soghrati S，Liang B（2016）异质粘合剂失效响应微观结构影响的自动分析。国际J固体结构81:250-261 [20] Roberts AP（1997）从二维图像重建三维多孔介质的统计。物理版E 56（3）：3203 [21] Jiang Z，Chen W，Burkhart C（2012）通过高斯随机场重建三维多孔微观结构的混合方法。参加：ASME 2012国际设计工程技术会议和计算机及信息工程会议。美国机械工程师学会，第1033-1042页 [22] Sebdani MM、Baniassadi M、Jamali J、Ahadiparast M、Abrinia K、Safdari M（2015）《设计具有最大活性三相边界长度（TPBL）的三相固体氧化物燃料电池阳极的最佳3D微观结构》。国际水电能源杂志40（45）：15585-15596 [23] Kumar H、Briant CL、Curtin WA（2006）《利用微观结构重建模拟复杂微观结构中的力学行为》。机械师38（8）：818-832 [24] Liu Y，Greene MS，Chen W，Dikin DA，Liu WK（2013）随机多尺度材料设计的计算微观结构表征和重建。计算机辅助设计45（1）：65-76 [25] Kumar NC、MatoušK、Geubelle PH（2008）使用遗传算法重建多模态随机颗粒复合材料的周期单元。计算机材料科学42（2）：352-367 [26] Collins BC，Matous K，Rypl D（2010）多峰颗粒复合材料统计最优晶胞的三维重建。国际J多尺度计算工程8（5）：489-507 [27] Shewchuk JR（2002）三角网格生成的Delaunay细化算法。计算几何22（1）：21-74·Zbl 1016.68139号 [28] Yerry MA，Shephard MS（1984）利用改进的八叉树技术自动生成三维网格。国际数学方法工程杂志20（11）：1965-1990·Zbl 0547.65077号 [29] Shephard MS，Georges MK（1991）利用有限八叉树技术自动生成三维网格。国际数字方法工程杂志32（4）：709-749·Zbl 0755.65116号 [30] Lo SH（1985）一种新的任意平面域网格生成方案。国际J数字方法工程21（8）：1403-1426·Zbl 0587.65081号 [31] Lo SH（1991）四面体II的体积离散化。通过推进前方方法进行三维三角测量。计算结构39（5）：501-511·Zbl 0764.65073号 [32] Babuska I，Melnek JM（1997）单位分割法。国际J数字方法工程40（4）：727-758·Zbl 0949.65117号 [33] Oden TJ，Duarte CA，Zienkiewicz OC（1998）一种新的基于云的hp有限元方法。计算方法应用机械工程153（1-2）：117-126·Zbl 0956.74062号 [34] Moös N，Dolbow J，Belytschko T（1999）无网格裂纹扩展的有限元方法。国际J数字方法工程46（1）：131-150·Zbl 0955.74066号 [35] Soghrati S（2014）分层界面富集有限元法：一种用于网格无关模拟的自动化技术。计算机物理杂志275:41-52·Zbl 1349.82030号 [36] Soghrati S，Ahmadian H（2015）三维分层界面丰富有限元方法：实施和应用。计算机物理杂志299:45-55·Zbl 1352.65551号 [37] Lang C，Makhija D，Doostan A，Maute K（2014）富集重苷XFEM的简单有效预处理方案。计算力学54（5）：1357-1374·Zbl 1311.74124号 [38] Belytschko T、Gracie R、Ventura G（2009）《材料建模的扩展/广义有限元方法综述》。模型模拟材料科学工程17（4）：043001 [39] Hobbiebrunken T，Hojo M，Adachi T，De Jong C，Fiedler B（2006）使用FEM和原位实验评估CF/环氧树脂的界面强度。撰写A部分应用科学手册37（12）：2248-2256 [40] Yang L，Yan Y，Liu Y，Ran Z（2012）纤维增强聚合物复合材料在横向拉伸和压缩下的微观破坏机制。《作曲科学与技术》72（15）：1818-1825 [41] Totry E，González C，LLorca J（2008）纤维增强复合材料在横向压缩和平面外剪切下的失效轨迹。合成科学技术68（3）：829-839·Zbl 1159.74340号 [42] Davila CG、Camanho PP、Rose CA（2005）《FRP层压板的失效标准》。作曲家杂志39（4）：323-345 [43] Hinton MJ、Kaddour AS、Soden PD（2004）《纤维增强聚合物复合材料的失效标准：全球失效实践》。爱思唯尔，纽约 [44] Romanowicz M（2010）横向拉伸载荷下具有非均匀界面和随机分布纤维的单向纤维增强聚合物的渐进失效分析。作曲A部分应用科学手稿41（12）：1829-1838 [45] Canal LP，Segurado J，LLorca J（2009）环氧改性纤维增强复合材料在横向拉伸和平面外剪切下的失效面。国际J固体结构46（11）：2265-2274·Zbl 1219.74043号 [46] Tang Z，Wang C，Yu Y（2015）使用有限体积微观力学研究纤维环氧单向层压板在横向拉伸/压缩载荷下的失效响应。作曲B部分工程79:331-341 [47] Melro AR、Camanho PP、Pires FMA、Pinho ST（2013）单向纤维增强聚合物复合材料的微观力学分析：第二部分微观力学分析。国际J固体结构50（11）：1906-1915 [48] Soni G、Singh R、Mitra M、Falzon BG（2014）通过多纤维多层代表性体积元（M \[^22\]RVE）模拟复合材料层压板中的基体损伤和纤维-基体界面脱粘。国际J固体结构51（2）：449-461 [49] Bienias J、Debski H、Surowska B、Sadowski T（2012）使用FEM分析碳/环氧复合材料的微观结构损伤。计算机材料科学64:168-172 [50] Romanowicz M（2012）预测纤维增强复合材料在横向压缩和轴向拉伸联合作用下的破坏轨迹的数值方法。计算机材料科学51（1）：7-12 [51] Totry E，González C，LLorca J（2008）通过计算微观力学预测C/peek复合材料在横向压缩和纵向剪切下的破坏轨迹。《合成科学技术》68（15）：3128-3136 [52] Yang L，Wu Z，Cao Y，Yan Y（2015）单向纤维增强复合材料在剪切载荷下的微观力学建模和模拟。钢筋石膏合成杂志34（1）：72-83 [53] Kim TJ，Park CK（1998）不同形状碳纤维增强轻质水泥基复合材料的弯曲和拉伸强度发展。水泥混凝土研究28（7）：955-960 [54] Park SJ，Seo MK，Shim HB，Rhee KY（2004）不同截面类型对碳纤维增强水泥复合材料力学性能的影响。材料科学与工程A 366（2）：348-355 [55] Xu Z，Li J，Wu X，Huang Y，Chen L，Zhang G（2008）Kidne型和圆形截面对碳纤维表面和复合材料界面的影响。撰写A部分应用科学手册39（2）：301-307 [56] Liu X，Wang R，Wu Z，Liu W（2012）三角形碳纤维对碳纤维增强塑料弯曲性能的影响。母稿73:21-23 [57] Agnese F，Scarpa F（2014）具有星形夹杂物的宏观复合材料，用于风力涡轮机叶片的减振。组成结构108:978-986 [58] Herráez M、González C、Lopes CS、de Villoria RG、LLorca J、Varela T、Sánchez J（2016）《纤维形状对单向复合材料横向强度影响的计算微观力学评估：虚拟材料设计方法》。撰写A部分应用科学手册91:484-492 [59] Pathan MV、Tagarielli VL、Patsias S（2017）纤维形状和界面对纤维复合材料各向异性粘弹性响应的影响。复合结构162:156-163 [60] 杨磊，刘旭，吴忠，王瑞（2016）三角纤维对单向碳纤维增强塑料横向力学性能的影响。组成结构152:617-625 [61] Jelf PM，Fleck NA（1992），单向复合材料的压缩破坏机制。作曲家杂志26（18）：2706-2726 [62] Czabaj MW，Riccio ML，Whitacre WW（2014）基于亚微米分辨率x射线计算机断层扫描的石墨/环氧复合材料微观结构的数值重建。作曲科技105:174-182 [63] Hillig WB（1994）纤维错位对纤维增强复合材料断裂行为的影响。《材料科学杂志》29（4）：899-920 [64] Knibbs RH，Morris JB（1974）《纤维取向对复合材料物理性能的影响》。复合材料5（5）：209-218 [65] Swift DG（1975）包含错位纤维的纤维复合材料的弹性模量。《物理与应用物理学杂志》8（3）：223 [66] Budiansky B，Fleck NA（1993），纤维复合材料的压缩破坏。机械物理固体杂志41（1）：183-211 [67] Kyriakides S、Arsengeratne R、Perry EJ、Liechti KM（1995）《纤维增强复合材料的压缩破坏》。国际J固体结构32（6-7）：689-738·Zbl 0875.73189号 [68] Bednacyk BA、Aboudi J、Arnold SM（2014）《一般统计纤维错位对复合材料中预测损伤萌生的影响》。作曲B部分工程66:97-108 [69] Li Y，Stier B，Bednacyk B，Simon JW，Reese S（2016）纤维错位对单向纤维增强复合材料均匀性能的影响。机械材料92:261-274 [70] Liu D，Fleck NA，Sutcliffe MPF（2004），具有随机纤维波纹度的纤维复合材料的抗压强度。机械物理固体杂志52（7）：1481-1505·Zbl 1102.74015号 [71] Basu S，Waas AM，Ambur DR（2006），纤维复合材料在多轴载荷下的压缩破坏。机械物理固体杂志54（3）：611-634·Zbl 1120.74783号 [72] Gutkin R、Pinho ST、Robinson P、Curtis PT（2011）预测CFRP在纵向压缩和面内剪切联合作用下纤维扭结和分裂的有限断裂力学公式。机械材料43（11）：730-739 [73] Yokozeki T、Ogasawara T、Ishikawa T（2005）纤维非线性特性对单向碳纤维复合材料抗压强度预测的影响。《合成科学技术》65（14）：2140-2147 [74] Pimenta S，Gutkin R，Pinho ST，Robinson P（2009）扭结带形成的微观力学模型：第二部分：分析建模。化合物科学技术69（7）：956-964 [75] Numayr KS，Al Rjoub YS（2013）估算纤维复合材料抗压强度的两种类似方法。写作B部分英语50:290-296 [76] Pimenta S，Gutkin R，Pinho ST，Robinson P（2009）扭结带形成的微观力学模型：第一部分：实验研究和数值建模。合成科学技术69（7）：948-955 [77] Zhou HW，Yi HY，Gui LL，Dai GM，Peng RD，Wang HW，Mishnaevsky L（2013）GFRP复合材料在离轴载荷下的压缩损伤机制：实验和数值研究。写作B部分英语55:119-127 [78] Gutkin R、Pinho ST、Robinson P、Curtis PT（2010）碳纤维复合材料层压板中剪切驱动纤维压缩破坏和纤维扭结的微观力学建模。合成科学技术70（8）：1214-1222 [79] Bai X，Bessa MA，Melro AR，Camanho PP，Guo L，Liu WK（2015）碳纤维聚合物基复合材料热-塑性行为的高精度微观建模。组成结构134:132-141 [80] Naya F，Herráez M，Lopes CS，González C，Van der Veen S，Pons F（2017）不同环境条件下单向FRP中纤维扭结的计算微观力学。合成科学技术144:26-35 [81] Soghrati S，Nagarajan A，Liang B（2017）符合界面结构自适应网格细化：具有复杂微观结构的材料自动建模的新技术。有限元分析125:24-40 [82] Nagarajan A，Soghrati S（2018）《符合界面结构自适应网格细化：3D算法和实现》。计算力学。https://doi.org/10.1007/s00466-018-1560-2 ·Zbl 1471.74071号 ·doi:10.1007/s00466-018-1560-2 [83] Yang M，Nagarajan A，Liang B，Soghrati S（2018）异质微观结构虚拟重建的新算法。计算方法应用机械工程338:275-298·Zbl 1440.74482号 [84] Hill R（1985）关于有限应变弹塑性响应本构分析中的微观到宏观转变。收录于：剑桥哲学学会数学学报，第98卷。剑桥大学出版社，第579-590页·Zbl 0577.73019号 [85] Kouznetsova V，Geers MGD，Brekelmans WAM（2002），非均质材料的多尺度本构建模，梯度增强计算均匀化方案。国际数学方法工程54（8）：1235-1260·Zbl 1058.74070号 [86] Terada K，Hori M，Kyoya T，Kikuchi N（2000）计算均匀化方法中多尺度收敛的模拟。国际J固体结构37（16）：2285-2311·Zbl 0991.74056号 [87] Inglis HM、Geubelle PH、MatoušKl（2008）边界条件对损伤定位多尺度分析的影响。菲洛斯·马格88（16）：2373-2397 [88] Hooputra H、Gese H、Dell H、Werner H（2004）铝挤压件耐撞性模拟的综合失效模型。国际J耐撞性9（5）：449-464 [89] Sadowski T、Golewski P、KnećM（2014）点焊-粘接接头响应的实验研究和数值模拟。组成结构112:66-77 [90] de Souza Neto EA，Peric D，Owen DRJ（2011），塑性计算方法：理论与应用。霍博肯·威利 [91] Hillerborg A，Modéer M，Peterson PE（1976），通过断裂力学和有限元分析混凝土中的裂纹形成和裂纹扩展。Cem浓缩物研究6（6）：773-781 [92] Prantl A、Ruzicka J、Spaniel M、Moravec M、Dzugan J、Konopik Pl（2013）《延性损伤参数识别》。地点：奥地利维也纳SIMULIA社区会议 [93] Safaei M、Sheidaei A、Baniassadi M、Ahzi S、Mashhadi MM、Pourboghrat F（2015）石墨纳米板聚合物复合材料的界面脱粘诱导损伤模型。计算机材料科学96:191-199 [94] Minnicino MA，Santare MH（2012）使用具有内聚行为的接触表面对微滴试验的渐进损伤进行建模。《合成科学技术》72（16）：2024-2031 [95] Lee HG、Brandyberry M、Tudor A、MatoušK（2009）从微观形貌对多分散颗粒复合材料的统计最佳单位细胞进行三维重建。物理版E 80（6）：061301 [96] Fiedler B、Hojo M、Ochiai S、Schulte K、Ando M（2001）环氧树脂基体在不同静载荷下的破坏行为。作曲科技61（11）：1615-1624 [97] Au C，Büyüköztürk O（2006）FRP板混凝土中受水分影响的剥离和剪切断裂特征。《作曲构造杂志》10（1）：35-47 [98] Horie K，Hiromichi M，Mita I（1976）环氧树脂与石墨纤维的粘合。纤维科学技术9（4）：253-264 [99] Lau D，Büyüköztürk O，Buehler MJ（2012）使用多尺度方法表征环氧树脂和二氧化硅之间的固有强度。《材料研究杂志》27（14）：1787-1796 [100] de Almeida SFM，Neto ZSN（1994），孔隙含量对复合材料层压板强度的影响。组成结构28（2）：139-148 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。