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Multi-scale computational analysis of unidirectional carbon fiber reinforced polymer composites under various loading conditions

材料科学 复合材料 复合数 碳纤维增强聚合物 纤维 纤维增强塑料 结构工程 工程类
作者
Qingping Sun,Zhaoxu Meng,Guowei Zhou,Shih-Po Lin,Hongtae Kang,Sinan Keten,Haiding Guo,Xuming Su
出处
期刊:Composite Structures [Elsevier]
卷期号:196: 30-43 被引量:123
标识
DOI:10.1016/j.compstruct.2018.05.025
摘要

A multi-scale computational analysis based on representative volume element (RVE) modeling and molecular dynamics (MD) simulations is developed to investigate the microscopic failure mechanisms of unidirectional (UD) carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites. The average properties of the 200-nm thickness interphase region between fiber and matrix are characterized through MD simulations and an analytical gradient model. The results demonstrate that the interphase region has higher Young’s modulus and strength, compared to the bulk matrix. This stiffened interphase region influences the composite response significantly. Specifically, the traditional two-phase model with zero-thickness interface fails to capture the stress-strain behavior compared to the experimental data. However, by adding the interphase region to a modified RVE model, the accuracy of simulation results will be improved significantly. Furthermore, a coupled experimental-computational micromechanics approach is adopted to calibrate and validate the cohesive parameters of the interface. By including the cohesive interface, our modified RVE model accurately captures the failure strength of the composites. Finally, different failure mechanisms for specimens are investigated using our multi-scale computational framework. The results show that the failure modes of UD CFRP composites are very complex and multiple failure mechanisms co-exist depending on the loading conditions, agreeing well with our experimental analyses.
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