Multi-scale Simulation of Composite Materials: Results from the Project MuSiKo

ویرایش: 1st ed. 
نویسندگان: Stefan Diebels. Sergej Rjasanow  
سری: Mathematical Engineering 
ISBN (شابک) : 9783662579565, 9783662579572 
ناشر: Springer Berlin Heidelberg 
سال نشر: 2019 
تعداد صفحات: 183 
زبان: English 
فرمت فایل : PDF (درصورت درخواست کاربر به PDF، EPUB یا AZW3 تبدیل می شود) 
حجم فایل: 10 مگابایت 

قیمت کتاب (تومان) : 30,000



به دلیل سفتی و استحکام بالا و خواص پردازشی خوب، ترموپلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف کوتاه، مصالح ساختمانی خوبی هستند.

تا کنون، شبیه‌سازی قطعات مهندسی متشکل از ترموپلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف کوتاه بوده است. اغلب مبتنی بر مدل‌های پدیدارشناسی ماکروسکوپی بوده است، اما تغییر شکل‌ها، آسیب‌دیدگی و شکست مواد کامپوزیتی به شدت به ریزساختار آنها بستگی دارد. حالت های معمول شکست ترموپلاستیک های فیبر کوتاه غنی شده با الیاف شیشه عبارتند از شکست ماتریس، پارگی الیاف و لایه لایه شدن، و ملاحظات ماکروسکوپی خالص برای پیش بینی این اثرات کافی نیست. مدل‌های پدیدارشناسی پیش‌بینی‌کننده معمولی پیچیده هستند و فقط برای خرابی‌های بسیار خاص در دسترس هستند. پیش‌بینی کمی در مورد اینکه چگونه شکست بسته به محتوا و جهت الیاف تغییر می‌کند، عموماً امکان‌پذیر نیست و دخالت مستقیم اثرات فوق در یک شبیه‌سازی عددی نیاز به مدل‌سازی چند مقیاسی دارد.

یکی یکی. این امر باعث می شود که خواص مواد ماتریس و مواد فیبر، ریزساختار کامپوزیت از نظر محتوای فیبر، جهت گیری و شکل الیاف و همچنین ویژگی های رابط بین الیاف و ماتریس در نظر گرفته شود. از سوی دیگر، رویکرد چند مقیاسی این ویژگی‌های محلی را به رفتار جهانی پیوند می‌دهد و مبنایی را برای ابعاد و طراحی اجزای مهندسی تشکیل می‌دهد. علاوه بر این، شبیه‌سازی‌های عددی چند مقیاسی برای اجازه دادن به حل کارآمد مدل‌ها هنگام بررسی مسائل سه‌بعدی قطعات مهندسی ابعاد مورد نیاز است.

این کتاب با ترکیب مدل‌سازی ریاضی، مکانیک مواد، روش‌های عددی و مهندسی تجربی، یک روش منحصر به فرد ارائه می‌دهد. مروری بر رویکردهای مدل‌سازی چند مقیاسی، شبیه‌سازی‌های چند مقیاسی و تحقیقات تجربی ترموپلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف کوتاه فصل اول بر دو موضوع اصلی تمرکز دارد: مدل‌های ریاضی و مکانیکی حاکم بر خواص ترکیبی و توصیف آسیب. فصل‌های بعدی الگوریتم‌های عددی مبتنی بر روش اجزای محدود و روش المان مرزی را ارائه می‌کنند که هر دو به وضوح از ریزساختار کامپوزیت استفاده می‌کنند. در ادامه، نتایج شبیه‌سازی‌های عددی نشان داده شده و با نتایج تجربی مقایسه شده است.

در نهایت، این کتاب به بررسی تجربی تغییر شکل و شکست مواد کامپوزیت، توضیح روش‌های کاربردی و ارائه نتایج می‌پردازد. برای کسرهای حجمی مختلف الیاف.

این کتاب منبع ارزشمندی برای ریاضیات کاربردی، مهندسین مکانیک نظری و تجربی و همچنین مهندسین در صنعت است که با مدل‌سازی و شبیه‌سازی کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف کوتاه سروکار دارند.

Due to their high stiffness and strength and their good processing properties short fibre reinforced thermoplastics are well-established construction materials.

Up to now, simulation of engineering parts consisting of short fibre reinforced thermoplastics has often been based on macroscopic phenomenological models, but deformations, damage and failure of composite materials strongly depend on their microstructure. The typical modes of failure of short fibre thermoplastics enriched with glass fibres are matrix failure, rupture of fibres and delamination, and pure macroscopic consideration is not sufficient to predict those effects. The typical predictive phenomenological models are complex and only available for very special failures. A quantitative prediction on how failure will change depending on the content and orientation of the fibres is generally not possible, and the direct involvement of the above effects in a numerical simulation requires multi-scale modelling.

One the one hand, this makes it possible to take into account the properties of the matrix material and the fibre material, the microstructure of the composite in terms of fibre content, fibre orientation and shape as well as the properties of the interface between fibres and matrix. On the other hand, the multi-scale approach links these local properties to the global behaviour and forms the basis for the dimensioning and design of engineering components. Furthermore, multi-scale numerical simulations are required to allow efficient solution of the models when investigating three-dimensional problems of dimensioning engineering parts.

Bringing together mathematical modelling, materials mechanics, numerical methods and experimental engineering, this book provides a unique overview of multi-scale modelling approaches, multi-scale simulations and experimental investigations of short fibre reinforced thermoplastics. The first chapters focus on two principal subjects: the mathematical and mechanical models governing composite properties and damage description. The subsequent chapters present numerical algorithms based on the Finite Element Method and the Boundary Element Method, both of which make explicit use of the composite’s microstructure. Further, the results of the numerical simulations are shown and compared to experimental results.

Lastly, the book investigates deformation and failure of composite materials experimentally, explaining the applied methods and presenting the results for different volume fractions of fibres.

This book is a valuable resource for applied mathematics, theoretical and experimental mechanical engineers as well as engineers in industry dealing with modelling and simulation of short fibre reinforced composites.

Front Matter ....Pages i-vii
 Multi-Scale Methods in Simulation—A Path to a Better Understanding of the Behaviour of Structures  (Michael Hack)....Pages 1-13
 Indicators for the Adaptive Choice of Multi-Scale Solvers Based on Configurational Mechanics  (Ralf Müller, Charlotte Kuhn, Markus Klassen, Heiko Andrä, Sarah Staub)....Pages 15-30
 Modelling of Geometrical Microstructures and Mechanical Behaviour of Constituents  (Heiko Andrä, Dascha Dobrovolskij, Katja Schladitz, Sarah Staub, Ralf Müller)....Pages 31-56
 Parallel Inelastic Heterogeneous Multi-Scale Simulations  (Ramin Shirazi Nejad, Christian Wieners)....Pages 57-96
 Fast Boundary Element Methods for Composite Materials  (Richards Grzhibovskis, Christian Michel, Sergej Rjasanow)....Pages 97-141
 Experimental Studies  (Céline Röhrig, Stefan Diebels)....Pages 143-175
Back Matter ....Pages 177-178