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Fracture Simulation of Nanostructured Porous Polymers Using a Boundary Element Method With Fractional Heat Conduction and Pyrolysis Coupling

材料科学 有限元法 热传导 断裂(地质) 拉普拉斯变换 复合材料 边界元法 联轴节(管道) 边值问题 热的 多孔性 机械 内部加热 模耦合 压力(语言学) 发热 热方程 聚合物 应力场 强度因子 断裂力学 模式(计算机接口) 瞬态(计算机编程) 多尺度建模 边界(拓扑) 材料性能 领域(数学) 扩展有限元法 叠加原理 多孔介质 拉普拉斯方程 数值分析
作者
Mohamed Abdelsabour Fahmy,Fahad M. Al Subhi
出处
期刊:Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures [Wiley]
卷期号:48 (12): 5323-5334 被引量:2
标识
DOI:10.1111/ffe.70092
摘要

ABSTRACT This paper introduces a new boundary element formulation to simulate fracture response in nanostructured porous polymer composites exposed to extreme heat environments. The model integrates three coupled physical mechanisms: (i) time‐fractional heat conduction by multiterm Caputo derivatives to represent thermal memory effects, (ii) pyrolysis‐driven internal heating by temperature‐dependent chemical kinetics, and (iii) size‐dependent thermoelasticity by consistent couple‐stress theory to account for microstructural mechanical responses. The analysis is performed in the Laplace domain for efficient solution of the time‐dependent and nonlocal field equations and is numerically inverted to derive the transient mechanical and thermal responses. Fracture is assessed by direct calculation of Mode I and Mode II stress intensity factors (SIFs) and path‐independent J‐integral, derived from near‐tip BEM fields. The model accurately captures the generation of thermal gradients, deformation, and crack‐driving stresses with impulsive heating, as verified by comparison with analytical, finite difference, and finite element solutions. The proposed method provides an effective computational scheme for modeling thermally induced fracture in advanced polymer composites, particularly for aerospace and high‐temperature structural applications.
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