A versatile and highly efficient algorithm to generate representative microstructures for heterogeneous materials

材料科学 均质化(气候) 微观结构 复合材料 各向同性 微观力学 横截面 体积分数 算法 计算机科学 复合数 结构工程 光学 生物多样性 工程类 物理 生物 生态学
作者
Chaocan Cai,Tieliang Zhang,Xiaojun Wang,Weilong Yin,Zhonghai Xu,Rongguo Wang,Xiaodong He
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:241: 110138-110138
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2023.110138
摘要

In this study, a novel approach based on the maximum penetration-biased (MPB) algorithm is proposed to rapidly generate representative volume elements (RVEs) for advanced composites. This method is capable of handling various microstructural features such as nonuniform distribution of high-volume fractions, concave or convex inclusions and the control of inter-inclusion distances. Statistical functions from short-range to long-range demonstrate that the resulting microstructures are complete spatial random, and the microstructures observed in realistic composites can be reproduced by the proposed algorithm. Accurate prediction for the elastic properties and transverse isotropy of the generated microstructures with varying inclusion shapes using homogenization method further verify the validity of the developed method. A nonlinear damage study compared to the circular inclusion reveals that the capsule shape leads to a reduction of strength of unidirectional fiber reinforced composites under transverse tension or compression while the lobular inclusion presents a deterioration of strength under tension but an enhancement of strength in compression. The MPB algorithm provides an effective tool for micromechanical assessment, quantitative research and data-driven studies such as machine learning of composites.

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