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Multi-scale theoretical modeling with molecular simulation framework for fly ash-based high-performance concrete

分形 联轴节(管道) 计算机科学 分子动力学 刚度 有限元法 高斯分布 多尺度建模 生物系统 一般化 高斯过程 过程(计算) 非线性系统 计算机模拟 算法 克里金 材料科学 在飞行中 建模与仿真 替代模型 人工神经网络 迭代和增量开发 趋同(经济学) 仿真建模 极限抗拉强度 运动仿真 高保真 缩放比例 瞬态(计算机编程) 接口(物质) 压力(语言学) 连贯性(哲学赌博策略) 刚度矩阵 实验数据 表征(材料科学) 原子间势 结构工程 统计物理学 计算科学 拓扑(电路)
作者
Vikrant S. Vairagade
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 44895-44895 被引量:9
标识
DOI:10.1038/s41598-025-28690-3
摘要

Fly ash-based concrete models are currently largely empirical or homogenized and do not reflect the inherent properties of the materials, namely amorphous-crystalline heterogeneity, reactive interface dynamics, and defect evolution. Thus, the study leads to the advent of a complete multi-scale theoretical framework consisting of five unique approaches across structural and molecular scales. First and foremost, Hybrid Multiphase Microstructure Descriptor Modeling (HMMDM) reconstructs realistic 3D digital twins employing micro-CT, SEM/EDS, and PSD data for porosity prediction improvement by up to 15% by capturing interfacial topology. Second, the Quantum-Corrected Machine-Learned Interatomic Potential Mapping (QML IPM) develops system-specific force fields by coupling DFT data and Gaussian Approximation Potentials, reducing RMS force errors from 0.31 to 0.09 eV/Å, as well as improving the prediction of reactivity index by 22%. Third, the Topological Reaction Pathway Network Modeling (TRPNM) enables time-strength prediction with an error below 7% without being confined to the dynamics of graphs algorithms for modeling hydration and geopolymerization kinetics. Fourth, Fractal Defect Evolution Analysis using Molecular Simulation (FDEAMS) simulates stress induced crack development according to fractal mechanics, and an increase in tensile failure zone prediction capability by 20% is achieved. Finally, Dynamic Multi-Scale Simulation Coupling with Feedback Optimization (DMSCF) bridges a nano- and macro-scale design through iterative coupling of MD and FEM simulations, achieving real-time stiffness updates with a process lag of < 4% during analysis. The present study offers integrated approaches that would give unprecedented predictive fidelity on fly ash concrete and allow for optimal designs.
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