view in publisher's site

DEM-FEM coupling method to simulate thermally induced stresses and local damage in composite materials

Highlights•An efficient DEM-FEM coupling is discussed to model 2D composite materials.•Thermo-elastic behavior is studied using a microscopic thermal expan- sion model.•Stress and strain fields are compared to finite element calculations.•Thermal-induced damage is simulated for several material configurations.•Results show a significant computation time decrease compared to FEM and DEM.AbstractThe present contribution is dedicated to a coupling method mixing finite and discrete elements to simulate thermally induced stresses and local damage in composites. Investigations are focused on ceramic-metal materials which are characterized by a strong difference of properties and a coefficient of thermal expansion mismatch. Typically, thermal residual stresses are induced at the interface during a cooling process which can lead to dramatic effects on the local integrity of the joint. Some discrete approaches as the lattice beam model enable to simulate such effects but in some cases lead to prohibitive calculation costs which affect their relevance. As a result, a coupling method taking benefit of both continuous and discrete approaches with a lower computational cost is of great interest. In this work, we investigate the DEM-FEM coupling approach based on a domain decomposition with overlapping area which has already proved its flexibility and its reliability in a large context. However, be aware that what is commonly called DEM-FEM coupling is in fact a beam lattice-FEM coupling approach in which the lattice network is generated using the contact network of a granular assembly. Preliminary studies are first carried out to verify the ability of the coupling method to take into account the thermal expansion in homogeneous medium. In a second step, tests are performed in the framework of ceramic-metal fiber composites and compared to FE simulations in terms of stress and strain fields. Interfacial debonding effects are also studied. Finally, a classical ceramic-metal joint issue with local damage is simulated. In each case, results exhibit the relevance of the present approach to take into account thermal expansion and damage with a suitable accuracy. They also show a significant computation time decrease compared to FEM and DEM.Graphical abstractDownload high-res image (111KB)Download full-size image

روش DEM - اجزا محدود برای شبیه‌سازی تنش‌های القا شده حرارتی و آسیب موضعی در مواد کامپوزیت

کاره‌ای مهم: یک جفت شدگی کارآمد DEM - FEM برای مدل کردن مواد کامپوزیت ۲ بعدی مورد بحث قرار گرفته‌است. رفتار Thermo - الاستیک با استفاده از یک مدل expan حرارتی - sion مطالعه شده‌است. تنش و میدان تنش با محاسبات آلمان محدود مقایسه می‌شوند. آسیب ناشی از گرمایی برای پیکربندی‌های مختلف مواد شبیه‌سازی شده‌است. نتایج نشان‌دهنده کاهش قابل‌توجه زمان محاسبات در مقایسه با اجزا محدود و DEM.Abst ractThe است که به یک روش ترکیب سازی اجزا محدود و گسسته برای شبیه‌سازی تنش‌های القا شده حرارتی و آسیب موضعی در کامپوزیت اختصاص‌یافته است. تحقیقات بر روی مواد سرامیکی - فلز متمرکز هستند که با تفاوت زیاد ویژگی‌ها و ضریب عدم انطباق انبساط حرارتی مشخص می‌شوند. به طور معمول، تنش‌های پسماند حرارتی در فصل مشترک در طول فرآیند خنک سازی ایجاد می‌شوند که می‌تواند منجر به اثرات چشمگیر بر روی یکپارچگی داخلی مفصل شود. برخی از روش‌های گسسته به عنوان مدل تیر شبکه می‌تواند چنین اثراتی را شبیه‌سازی کند اما در برخی موارد منجر به هزینه‌های محاسبات بازدارنده می‌شود که ارتباط آن‌ها را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد. در نتیجه، یک روش کوپلینگ به نفع هر دو رویکرد پیوسته و گسسته با هزینه محاسباتی کم‌تر، مورد توجه زیادی است. در این مقاله، ما رویکرد جفت شدگی محدود اجزا محدود مبتنی بر تجزیه دامنه را با سطح همپوشانی که قبلا قابلیت انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان آن را در یک بافت بزرگ اثبات کرده‌است، بررسی می‌کنیم. با این حال، آگاه باشید که آنچه که به طور معمول coupling - اجزا محدود نامیده می‌شود در حقیقت یک روش پیوند شبکه‌ای با اجزا محدود است که در آن شبکه شبکه با استفاده از شبکه تماس یک مونتاژ دانه‌ای ایجاد می‌شود. مطالعات مقدماتی برای تایید توانایی روش جفت شدگی برای در نظر گرفتن انبساط حرارتی در محیط همگن انجام شده‌است. در مرحله دوم آزمایش‌ها در چارچوب کامپوزیتهای الیاف - فلز - فلز انجام می‌شوند و در مقایسه با شبیه‌سازی آلمان در زمینه‌های تنش و کرنش مورد مقایسه قرار می‌گیرند. هم چنین اثرات debonding Interfacial نیز مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت، یک مساله مشترک متال سرامیک - فلز با آسیب موضعی شبیه‌سازی می‌شود. در هر مورد، نتایج نشان‌دهنده ارتباط این روش با توجه به انبساط حرارتی و آسیب با دقت مناسب است. آن‌ها همچنین کاهش زمان محاسبات قابل‌توجهی را در مقایسه با اجزا FEM و DEM.Grap hical abstractDownload high (۱۱۱ KB)نشان می‌دهند.

ترجمه شده با

Download PDF سفارش ترجمه این مقاله این مقاله را خودتان با کمک ترجمه کنید
سفارش ترجمه مقاله و کتاب - شروع کنید

95/12/18 - با استفاده از افزونه دانلود فایرفاکس و کروم٬ چکیده مقالات به صورت خودکار تشخیص داده شده و دکمه دانلود فری‌پیپر در صفحه چکیده نمایش داده می شود.