A computationally efficient coupled multi-scale model for short fiber reinforced composites

纤维 有限元法 航程(航空) 体积分数 代表性基本卷 计算机科学 比例(比率) 基质(化学分析) 材料科学 计算科学 结构工程 复合材料 工程类 物理 量子力学 程序设计语言
作者
Brian A. Castricum,Martin Fagerström,Magnus Ekh,Fredrik Larsson,Mohsen Mirkhalaf
出处
期刊:Composites Part A-applied Science and Manufacturing [Elsevier BV]
卷期号:163: 107233-107233 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.compositesa.2022.107233
摘要

A coupled multi-scale (macro–micro) model is developed to predict non-linear elasto-plastic behavior of short fiber reinforced composites. At the microscopic level, a recently proposed micro-mechanical model, developed based on a two-step orientation averaging approach, is used. A wide range of micro-structural parameters, including matrix and fiber constitutive parameters, fiber volume fraction and fiber aspect ratio, can be accommodated in the model. Different interactions including Voigt, Reuss and a self-consistent assumption are considered in the model. This micro-mechanical model is then incorporated in a Finite Element model of the macro-scale problem, enabling coupled macro–micro simulations of real-life structures/specimens. Numerical examples and comparisons with experimental data, taken from literature, show that the model gives good predictions. Besides, several strategies and techniques are employed to improve the computational efficiency of the model. These techniques include replacing originally utilized trapezoidal integration (for fiber orientations and calculation of the Eshelby tensor) with more efficient integration schemes, and using a more efficient method for data storage. Comparisons of the computational efforts shows that these improvements substantially decreased the computational cost of the model.
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