MARC

 008240612s2023      us  |||||||||||||||c||eng  d
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■020    ▼a9798380330336
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30529094
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a629.1
■1001  ▼aDeleo,  Antonio  Alessandro.
■24512▼aA  Fast  and  Efficient  Discrete  Model  for  Composites  (FastDM4C)▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bUniversity  of  Washington.  ▼c2023
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2023
■300    ▼a1  online  resource(143  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Salviato,  Marco.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Washington,  2023.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aThe  adoption  of  composite  materials  in  the  aerospace  industry  has  enabled  the  achievement  of  structural  performance  levels  and  weight  savings  unimaginable  even  just  twenty  years  ago.  Yet,  only  a  fraction  of  the  true  potential  of  these  materials  has  been  expressed  to  date  due  to  lack  of  high-fidelity  models  which  has  resulted  in  the  adoption  of  extremely  conservative  designs  compared  to  metallic  counterparts.  In  part  this  is  because,  in  contrast  to  high  performance  metallic  alloys,  the  fracturing  behaviors  of  composites  are  way  more  complex  and  difficult  to  simulate.  Fiber  reinforced  composites  feature  many  interacting  mechanisms  spanning  several  material  and  structural  length  scales,  from  the  fiber  scale  of  few  microns  to  the  structural  scale  of  a  composite  wing  with  a  span  of  several  meters.  This  makes  the  development  of  computational  models  for  the  design  and  optimization  of  composite  structures  extremely  challenging  owed  to  the  conflicting  need  of  being  able  to  capture  microdamage  events  at  the  fiber  scale  while  still  be  efficient  enough  to  simulate  structures  that  are  at  least  six  orders  of  magnitude  larger.This  work  attempts  to  address  this  challenging  problem  by  formulating  a  novel  discrete,  sub-lamina-scale  model  aimed  at  providing  an  effective  description  of  damage  at  the  microscale  while  maintaining  computational  costs  comparable  to  continuum,  homogenized  formulations.  The  proposed  model  is  also  based  on  the  Discrete  Model  for  Composites  (DM4C)    where  the  constitutive  relationship  of  the  discrete  members  representing  the  matrix  are  edge-based  instead  of  3D-based.  Both  DM4C  and  Fast  Discrete  Model  for  Composites  (FastDM4C)  have  been  proven  successful  and  are  providing  tools  to  both  academic  and  industry  partners  to  pave  the  way  for  the  full  exploitation  of  the  advantages  of  composites  in  aerospace  structure  design.In  this  new  approach,  composites  are  simulated  as  an  assembly  of  Representative  Unit  Cells  (RUC)  of  roughly  the  same  dimensions  of  the  average  distance  between  splitting  cracks.  In  contrast  to  traditional  models,  which  homogenize  the  mechanical  behavior  of  the  fibers  and  matrix  into  an  equivalent  continuum,  the  new  model  simulates  explicitly  groups  of  fibers  and  surrounding  matrix  material  leveraging  a  proper  configuration  of  one-dimensional  Finite  Elements.  The  arrangement  of  the  fiber-  and  matrix-elements  within  the  RUC  is  designed  to  replicate  the  transversely-isotropic  behavior  of  the  lamina.  One  distinct  regularized  strain-softening  constitutive  law  is  utilized  to  describe  the  behavior  of  the  fibers  using  a  new  element  called  Discrete  Fiber  Model  (DFM).  The  matrix  is  instead  modeled  using  three  different  implementations  of  the  same  edge-based  constitutive  formulation  called  Discrete  Matrix  Model  (DM2)  which  is  meant  to  capture  pure  matrix  behavior,  in-plane  shear  behavior,  and  interface  behavior  between  different  plies.A  multiple  stage  optimization  algorithm  is  developed  to  calibrate  both  elastic  and  fracture  parameters  of  the  model,  both  at  the  small  scale  (for  elastic  behavior)  and  at  the  large  structure  scale  (for  fracturing  behavior)  levying  the  use  of  a  Machine  Learning/Artificial  Intelligence  algorithm  coupled  with  a  relational  database  to  store  and  process  large  number  of  simulations.  Then,  several  simulations  of  the  composite  structures  under  highly  non-linear  behavior  are  used  to  validate  the  model  and  showcase  its  capability  of  capturing  the  inherent  damage  and  fracture  mechanisms  of  composite  laminates.It  will  be  shown  that  the  proposed  FastDM4C  is  capable  of  capturing  the  inherently  complex  damaging  behavior  of  composites  by  comparing  it  to  experimental  results,  while  at  the  same  time  showing  its  numerical  efficiency  capable  of  running  real  engineering  structures.This  dissertation  is  split  into  six  main  chapters:1.  Introduction  and  Research  Objective:  clear  statement  of  goals  to  be  achieved  by  the  completion  of  the  project.  List  all  the  included  topics  in  the  deliverable  package  that  will  be  available  to  any  reader.2.  Review  of  Computational  Fracture  Mechanics  Models:  overview  of  already  existing  and  established  computational  models  and  their  thorough  explanation,  highlighting  pros  and  cons  and  where  the  proposed  model  would  fit  in  the  overall  taxonomy  of  computational  fracture  mechanics.3.  Theoretical  Framework:  cover  the  fundamental  theories  used  in  the  proposed  model,  starting  from  governing  equations,  constitutive  relationships,  finite  element  implementations,  damage  mechanics  and  optimization  algorithms.4.  Computational  Implementation:  detailed  explanation  of  the  steps  of  the  computational  model.5.  Results:  showcases  of  the  completed  tests  that  showed  the  feasibility  of  the  model,  comparing  the  computational  results  to  real  fracture  experiments.6.  Conclusions:  overall  summary  of  the  whole  model  with  its  advantages,  disadvantages,  and  modes  of  use.  The  proposed  model  is  not  trying  to  solve  all  the  problems,  but  rather  tackle  some  of  them  in  a  unique  way.  It  stands  with  the  user  the  understanding  of  why  using  this  model  can  be  beneficial  to  computational  studies.
■590    ▼aSchool  code:  0250.
■650  4▼aAerospace  engineering.
■650  4▼aAstrophysics.
■653    ▼aDiscrete  modeling
■653    ▼aAerospace  industry
■653    ▼aStructural  length  scales
■653    ▼aComposite  structures
■653    ▼aRepresentative  Unit  Cells
■690    ▼a0538
■690    ▼a0596
■71020▼aUniversity  of  Washington▼bAeronautics  and  Astronautics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-03B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0250
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2023
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16933895▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
■980    ▼a202402▼f2024

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