A three dimensional multiscale method for modeling fracture in nanocomposites

纳米复合材料断裂建模的三维多尺度方法

基本信息

项目摘要

The main objective of this research proposal is to develop and validate a three-dimensional multiscale method for the analysis of fracture in nanocomposite materials. Nanocomposites consist of a polymer matrix and a clay reinforcement that promises to significantly improve the mechanical and thermal properties of pure polymers. The method will brigde three scales: the nano-scale to the micro-scale through a hierarchical upscaling approach and the microscale to the macro-scale by a concurrent multiscale method; i.e. a partition of unity enriched Arlequin method. We will use the extended finite element method to model fracture on the micro-scale and the macro-scale while molecular dynamics (MD) simulations will be used in order to determine the material parameters for the microscopic models. Cohesive zone models (CZM) will be used on the micro-scale as the fracture process zone in nanocomposites is large. To our best knowledge, it is one of the few attempts for a three-dimensional multiscale method that is used to 1. bridge three scales and 2. is applied to study the fracture of polymer-based materials. The method will be validated by comparisons to experimental data already obtained in the preliminary work. The final goal is to better understand the fracture of nanocomposites in order to improve constitutive models and to support future design of those materials (Computational Materials Design).
本研究的主要目的是开发和验证一种三维多尺度方法,用于分析纳米复合材料的断裂。纳米复合材料由聚合物基体和粘土增强体组成,有望显着改善纯聚合物的机械和热性能。该方法将桥接三个尺度:纳米尺度的微观尺度通过一个分层的upscaling方法和微观尺度的宏观尺度的并发多尺度方法,即一个分区的单位丰富的Arlequin方法。我们将使用扩展的有限元方法来模拟微观尺度和宏观尺度上的断裂,而分子动力学(MD)模拟将用于确定微观模型的材料参数。由于纳米复合材料的断裂过程区很大,将在微观尺度上使用内聚区模型(CZM)。据我们所知,这是用于1的三维多尺度方法的少数尝试之一。桥梁三个规模和2.用于研究聚合物基材料的断裂。该方法将通过与前期工作中已经获得的实验数据进行比较来验证。最终的目标是更好地了解纳米复合材料的断裂,以改善本构模型,并支持这些材料的未来设计(计算材料设计)。

项目成果

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An analytical solution on interface debonding for large diameter carbon nanotube-reinforced composite with functionally graded variation interphase
  • DOI:
    10.1016/j.compstruct.2013.04.029
  • 发表时间:
    2013-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.3
  • 作者:
    Yancheng Zhang;Junhua Zhao;Yue Jia;Tarek Mabrouki;Y. Gong;Ning Wei;T. Rabczuk
  • 通讯作者:
    Yancheng Zhang;Junhua Zhao;Yue Jia;Tarek Mabrouki;Y. Gong;Ning Wei;T. Rabczuk
Effects of the dispersion of polymer wrapped two neighbouring single walled carbon nanotubes (SWNTs) on nanoengineering load transfer
  • DOI:
    10.1016/j.compositesb.2012.09.079
  • 发表时间:
    2013-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    13.1
  • 作者:
    Yancheng Zhang;Junhua Zhao;Ning Wei;Jinwei Jiang;Y. Gong;T. Rabczuk
  • 通讯作者:
    Yancheng Zhang;Junhua Zhao;Ning Wei;Jinwei Jiang;Y. Gong;T. Rabczuk
Continuum modeling of the cohesive energy for the interfaces between films, spheres, coats and substrates
薄膜、球体、涂层和基材之间界面的内聚能的连续体建模
  • DOI:
    10.1016/j.commatsci.2014.06.050
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Lu, Lixin;Zhang, Zhiliang;Guo, Wanlin;Rabczuk, Timon
  • 通讯作者:
    Rabczuk, Timon
The tensile and shear failure behavior dependence on chain length and temperature in amorphous polymers
无定形聚合物中的拉伸和剪切破坏行为取决于链长和温度
  • DOI:
    10.1016/j.commatsci.2014.03.071
  • 发表时间:
    2015-01-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Zhao, Junhua;Lu, Lixin;Rabczuk, Timon
  • 通讯作者:
    Rabczuk, Timon
Coarse-grained potentials of single-walled carbon nanotubes
单壁碳纳米管的粗粒势
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Professor Dr.-Ing. Timon Rabczuk, Ph.D.其他文献

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知道了