A three dimensional multiscale method for modeling fracture in nanocomposites

• Applicant: Professor Timon Rabczuk, Ph.D.
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 233096124

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurde eine Mehrskalenmethode zur Modellierung von Materialversagen in polymeren Verbundwerkstoffen entwickelt. Die Methode basiert auf der Arlequinmethode, welche wiederum auf der linearen Wichtung der Energie im sogenannten ’Handshake’-bzw. Brückenskalen-Bereich basiert. Kompatibilität im Verschiebungsfeld zwischen dem Feinskalen- und Grobskalen-Bereich wurde mit Hilfe von Lagrange-Multiplikatoren verwirklicht. Auf beiden Skalen wurde ein Kontinuumsansatz gewählt. Während im Grobskalenbereich ein homogenes Material angenommen wurde, wurde die Mikrostruktur des Verbundwerkstoffes im Feinskalenbereich berücksichtigt. Die Arlequinmethode wurde hingehend auf die Modellierung von Materialversagen, i.e. diskreten Rissen, erweitert. Hierhir wurde die ’Extended Finite Element’-Methode (XFEM) verwendet, wenngleich auch alternative Ansatze basiert auf nicht-lokalen Schädigungsmodellen getestet wurden. Neben der Arlequinmethode und der Modelle der Mikro- und Makroskale wurden auch Nanoskalenmodelle entwickelt. Diese wurden zur Vorhersage von Werkstoffeigenschaften intakter polymerer Verbundwerkstoffe auf der Mikroskale verwendet. Insbesondere wurden Eigenschaften an den Grenzflächen zwischen Polymermatrix und Verstärkung untersucht. Die Methode wurde durch zahlreiche numerische Beispiele getestet und validiert.

Publications

• A theoretical analysis of cohesive energy between carbon nanotubes, graphene and substrates, Carbon, 2013, 57, 108-119
  Zhao, Junhua; Jiang, Jin-Wu; Jia, Yue; Guo, Wanlin & Rabczuk, Timon
  
• An analytical solution on interface debonding for large diameter carbon nanotubereinforced composite with functionally graded variation interphase, Composite Structures, 2013, 104, 261-269
  Zhang, Yancheng; Zhao, Junhua; Jia, Yue; Mabrouki, Tarek; Gong, Yadong; Wei, Ning & Rabczuk, Timon
  
• Effects of the dispersion of polymer wrapped two neighbouring single walled carbon nanotubes (SWNTs) on nanoengineering load transfer, Composites Part B: Engineering, 2013, 45(1), 1714-1721
  Zhang, Yancheng; Zhao, Junhua; Wei, Ning; Jiang, Jinwu; Gong, Yadong & Rabczuk, Timon
  
• A Semi-Concurrent Multiscale Approach for Modeling Damage in Nanocomposites, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 74, 30-38
  Silani, Mohammad; Ziaei-Rad, Saeed; Talebi, Hossein & Rabczuk, Timon
  
• Coarse-grained potentials of single-walled carbon nanotubes, Journal of Mechanics and Physics of Solids, 2014, 71, 197 - 218
  Zhao, Junhua; Jiang, Jin-Wu; Wang, Lifeng; Guo, Wanlin & Rabczuk, Timon
  
• Stochastic Modelling of Clay/Epoxy Nanocomposites, Composite Structures, 2014, 118, 241-249
  Silani, Mohammad; Talebi, Hossein; Ziaei-Rad, Saeed; Kerfriden, Pierre; Bordas, Stéphane P.A. & Rabczuk, Timon
  
• A three dimensional Extended Arlequin Method for Dynamic Fracture, Computational Materials Science, 2015, 96, 425 - 431
  Silani, Mohammad; Talebi, Hossein; Ziaei-Rad, Saeed; Hamouda, Abdel Magid; Zi, Goangseup & Rabczuk, Timon
  
• Continuum modeling of the cohesive energy for the interfaces between lms, spheres, coats and substrates, Computational Materials Science, 2015, 96, 432 - 438
  Zhao, Junhua; Lu, Lixin; Zhang, Zhiliang; Guo, Wanlin & Rabczuk, Timon
  
• The tensile and shear failure behavior dependence on chain length and temperature in amorphous polymers, Computational Materials Science, 2015, 96, 567 - 572
  Zhao, Junhua; Lu, Lixin & Rabczuk, Timon
  
• Nonlocal damage modelling in clay/epoxy nanocomposites using a multiscale approach, Journal of Computational Science, 2016, 15, 18-23
  Silani, Mohammad; Talebi, Hossein; Hamouda, Abdel Magid & Rabczuk, Timon