Mesoscale computational modeling of concrete-like particle-reinforced composites with non-convex aggregates
Mesoscale computational modeling of concrete-like particle-reinforced composites with non-convex aggregates
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非凸骨料类混凝土颗粒增强复合材料的介观尺度计算模型
DOI：
10.1016/j.compstruc.2020.106349
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发表时间：
2020-11
影响因子：
4.7
通讯作者：
Yang Liu
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Qing-Xiang Meng;D;an Lv;Yang Liu
本文提出了一种新的细观有限元模型，预测混凝土类颗粒增强复合材料的有效力学性能的凹集料。在细观模型中，通过计算效率高的算法生成具有随机分布的非凸颗粒和周期边界的单元胞（UC）来表示混凝土复合材料的周期性微观结构。数值均匀化计算的有效力学参数的基础上的未排序的节点集技术。所提出的模型预测的结果与实验测量结果吻合良好。参数研究还表明，UC模型与周期性放置的颗粒在边界处产生更高的弹性模量比那些没有周期性的边界颗粒放置，和边界颗粒的均匀化材料性能的影响随着UC尺寸的增加而减小。此外，计算研究表明，弹性模量的复合材料组成的无规颗粒大于那些与圆形和光滑的颗粒给定相同的颗粒体积分数。所提出的细观建模方法可以作为一个简单和快速的工具，在协助设计和优化的强大，重量轻，可靠的颗粒增强复合材料。
This paper presents a novel mesoscale finite element model for predicting the effective mechanical properties of concrete-like particle-reinforced composites with concave aggregates. In the mesoscale model, unit cells (UC) with randomly distributed non-convex particles and period boundaries are generated through computationally efficient algorithms to represent the periodic microstructures of concrete composites. Numerical homogenization is performed to calculate the effective mechanical parameters based on an unsorted node set technique. The results predicted by the proposed model show good agreement with the experimental measurements. The parametric study also indicates that UC models with periodic placement of particles at the boarders yield higher elastic modulus compared with those without periodic boundary particle placement, and the influence of boarder particles on homogenized material properties decreases as the UC size increases. Moreover, computational studies show that the elastic moduli of composites consisting of concavity particles are larger than those with the round and smooth particles given the same particle volume fraction. The proposed mesoscale modeling approach can serve as an easy and fast tool in assisting the design and optimization of strong, light-weight and reliable particle-reinforced composites.
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