Computational mechanics of composite and hybrid materials: advanced multi-scale damage modeling
Mécanique numérique des matériaux composites et hybrides : modélisation avancée d'endommagement à multi-échelle
Résumé
Numerical and industrial transitions in the industry's new paradigm will require efficient modeling of new functional and high-performance materials (such as composites and hybrid materials). Advanced multi-scale modeling of composites and hybrid materials presents several challenges. This requires interdisciplinary basis from materials science, mechanics, computational science, and experimental characterization, along with advancements in computational techniques, experimental methods, and data analysis approaches. The first challenge is the complexity of modeling. Composites and hybrid materials often exhibit complex behaviors due to the interactions between different constituent materials, interfaces, and manufacturing processes. Developing models that accurately represent these complexities while remaining computationally feasible is discussed in the third chapter, where the coupled plastic with damage continuum mechanics model has been developed and extended to fatigue modeling using a direct approach. The second challenge is multi-scale nature. Moving from macro- to meso- and micro-scales requires seamless integration of models to capture the behavior of materials at different length scales accurately. This transition poses challenges in terms of maintaining consistency and accuracy across scales. Moreover, variability in material properties, arising from factors such as manufacturing variations, defects, and heterogeneities, introduces uncertainties into the modeling process. Accounting for this variability and its effects on material performance adds complexity to the modeling efforts. The contributions to micro-scale modeling of the statistically representative volume element (nth Nearest Neighbors Algorithm, Molecular Dynamics) and meso-scale realistic modeling of textile composites are discussed in the fourth chapter. In the fourth chapter, the integration of experimental and computational approaches is discussed. Mainly the imaging techniques (µCT and SEM) and material characterization data, with computational models, were used for model validation and refinement. The third challenge is the optimization of computational costs. Multi-scale modeling typically involves large computational costs, especially when simulating complex material behaviors across multiple scales. Access to sufficient computational resources and efficient algorithms is crucial for performing simulations within reasonable time frames. To address this challenge, FFT-based modeling contributions are presented in the fifth chapter. We discuss the efficiency and accuracy of such solvers when considering heterogeneous materials, especially textile-reinforced composites with manufacturing defects. Original phase-field damage modeling has been presented in this chapter.
Les transitions numériques et industrielles dans le nouveau paradigme de l'industrie du futur nécessiteront une modélisation efficace des nouveaux matériaux fonctionnels et haute performance (tels que les composites et les matériaux hybrides). La modélisation avancée à multi-échelle des composites et des matériaux hybrides présente plusieurs challenges. Cela nécessite les connaissances interdisciplinaires en science des matériaux, mécanique, et caractérisation expérimentale, ainsi que méthodes numériques et l'analyse de données. Le premier challenge est la complexité de la modélisation. Les composites et les matériaux hybrides présentent souvent des comportements complexes en raison des interactions entre différents matériaux constitutifs, interfaces et l’effets des propriétés induites par le procédé. Les développements de modèles qui décrivent précisément ces complexités à l’échelle macroscopique par modelés phénoménologiques tout en restant robuste, sont présentés dans le troisième chapitre. Les modèles couplé plasticité avec endommagement continue a été développé et étendu à la modélisation d’endommagement en fatigue en utilisant l’approche directe. Le deuxième challenge est la nature multi-échelle des matériaux. Passage des macro- aux méso- et micro-échelles nécessite une intégration des modèles pour décrire le comportement des matériaux à différentes échelles avec la précision. De plus, la variation de paramètres de procédés, les défauts et les hétérogénéités, introduites la variabilité des propriétés de matériaux. Tenir compte de cette variabilité et de ses effets sur les performances des matériaux ajoute de la complexité aux efforts de modélisation. Les contributions à la modélisation à l'échelle micro du volume élémentaire statistiquement représentatif (méthode des k plus proches voisins et dynamique moléculaire) et à la modélisation réaliste (modélisation basée image) à l'échelle méso des composites textiles sont présentées dans le quatrième chapitre. Dans le quatrième chapitre, l'intégration des approches expérimentales et numériques est discutée. Principalement, les techniques d'imagerie (µCT et MEB) et les données de caractérisation des matériaux, ont été utilisées pour la validation des modèles. Le troisième challenge est l'optimisation des coûts de calcul. La modélisation à multi-échelle est associée à des coûts de calcul élevés, surtout lors de la simulation de comportements des matériaux non linéaires (endommagement, fissuration, etc.). Les contributions aux modélisations numériques basées sur la méthode FFT sont présentées dans le cinquième chapitre. La précision et l'efficacité de ces solveurs en tenant compte des matériaux hétérogènes, en particulier des composites renforcés par textiles avec des défauts de fabrication, ont été analysées. La modélisation originale d’endommagement par champ de phase a été présentée dans ce chapitre.
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