CAREER: Multiscale Reduced Order Modeling and Design to Elucidate the Microstructure-Property-Performance Relationship of Hybrid Composite Materials

职业:通过多尺度降阶建模和设计来阐明混合复合材料的微观结构-性能-性能关系

基本信息

  • 批准号:
    2341000
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 60万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-08-01 至 2029-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

High-performance composite materials, known for their combination of lightweight, high stiffness, strength, and toughness, have the potential to significantly reduce operational costs and enhance the performance of assets in industries such as energy, automotive, and aerospace engineering. Despite notable recent advancements, there is currently a lack of an effective predictive modeling and optimization framework to aid in designing these advanced composite materials, considering the optimal nonlinear behavior and complex geometries of the constituents. This Faculty Early Career Development (CAREER) award addresses this challenge through an integrated educational and research program. The research program focuses on advancing the state-of-the-art composite modeling and design capabilities for composites involving nonlinear behavior and potential damage under extreme loading conditions. This framework will be utilized to uncover the fundamental relationship between the microstructure's constituent properties, geometries, and structural performance. A comprehensive educational plan is to train the next generation of professionals with a strong background in composites to meet the nation’s growing demand for high-performance materials. The goal of this CAREER award is to elucidate the microstructure-property-performance relationship for composite materials by developing and exercising an efficient and accurate multiscale reduced order modeling and design framework. First, an adaptive multiscale reduced order model for rapid multiscale analysis and probing of the material response space will be developed. The model will consider realistic composite material behavior with a focus on viscoelastic behavior and damage of the matrix, damage of the reinforcement, and cohesive debonding of the material interface. The multiscale model will be thoroughly verified against direct numerical simulation and validated using experimental data for different hybrid composites. Finally, the model will be incorporated into a multi-resolution gradient-based reduced order design (material and shape) framework that enables the efficient design of hybrid composite microstructures. The modeling and design framework will empower us to develop advanced composites with tailored mechanical properties. It also has the potential to inform and guide advanced manufacturing techniques, facilitating precise fabrication of materials with optimized microstructures.This project is jointly funded by the Mechanics of Materials and Structures (MoMS) program and the Established Program to Stimulate Competitive Research (EPSCoR).This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
高性能复合材料以其轻质、高刚度、强度和韧性的组合而闻名,有可能显著降低运营成本,并提高能源、汽车和航空航天工程等行业的资产性能。尽管最近取得了显著的进展,但考虑到组分的最佳非线性行为和复杂几何形状,目前缺乏有效的预测建模和优化框架来帮助设计这些先进的复合材料。这个教师早期职业发展(CAREER)奖通过综合教育和研究计划解决这一挑战。该研究项目的重点是推进最先进的复合材料建模和设计能力,用于在极端载荷条件下涉及非线性行为和潜在损伤的复合材料。这个框架将被用来揭示微观结构的组成性质,几何形状和结构性能之间的基本关系。一个全面的教育计划是培养下一代具有复合材料背景的专业人才,以满足国家对高性能材料日益增长的需求。该CAREER奖的目标是通过开发和实施高效准确的多尺度降阶建模和设计框架来阐明复合材料的微观结构-性能-性能关系。首先,一个自适应多尺度降阶模型的快速多尺度分析和探测的材料响应空间将被开发。该模型将考虑现实的复合材料的行为,重点是粘弹性行为和损伤的矩阵,损伤的钢筋,和材料界面的内聚脱粘。多尺度模型将彻底验证直接数值模拟和验证不同的混杂复合材料的实验数据。最后,该模型将被纳入一个多分辨率梯度为基础的降阶设计(材料和形状)的框架,使混合复合材料微结构的有效设计。建模和设计框架将使我们能够开发具有定制机械性能的先进复合材料。它也有可能为先进的制造技术提供信息和指导,促进具有优化微结构的材料的精确制造。该项目由材料和结构力学(MoMS)计划和刺激竞争研究的既定计划(EPSCoR)联合资助。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力价值进行评估,更广泛的影响审查标准。

项目成果

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知道了