A previously published multiscale model for early-age cement-based materials [Pichler, et al.2007. "A multiscale micromechanics model for the autogenous-shrinkage deformation of early-age cement-based materials." Engineering Fracture Mechanics, 74, 34-58] is extended towards upscaling of viscoelastic properties. The obtained model links macroscopic behavior, i.e., creep compliance of concrete samples, to the composition of concrete at finer scales and the (supposedly) intrinsic material properties of distinct phases at these scales. Whereas finer-scale composition (and its history) is accessible through recently developed hydration models for the main clinker phases in ordinary Portland cement (OPC), viscous properties of the creep active constituent at finer scales, i.e., calcium-silicate-hydrates (CSH) are identified from macroscopic creep tests using the proposed multiscale model. The proposed multiscale model is assessed by different concrete creep tests reported in the open literature. Moreover, the model prediction is compared to a commonly used macroscopic creep model, the so-called B3 model.
Radiation hardening is a multiscale phenomenon involving various processes over a wide range of time and length. We present a multiscale model for estimating the amount of radiation hardening in pressure vessel steel in the environment of a light water reactor. The model comprises two main parts: molecular dynamics (MD) simulation and a point defect cluster (PDC) model. The MD simulation was used to investigate the primary damage caused by displacement cascades. The PDC model mathematically formulates interactions between point defects and their clusters, which explains the evolution of microstructures. We then used a dislocation barrier model to calculate the hardening due to the PDCs. The key input for this multiscale model is a neutron spectrum at the inner surface of reactor pressure vessel steel of the Younggwang Nuclear Power Plant No.5. A combined calculation from the MD simulation and the PDC model provides a convenient tool for estimating the amount of radiation hardening.
A multiscale modeling scheme that addresses the influence of the nanoparticle size in nanocomposites consisting of nano-sized spherical particles embedded in a polymer matrix is presented. A micromechanics-based constitutive model for nanoparticle-reinforced polymer composites is derived by incorporating the Eshelby tensor considering the interface effects (Duan et al. 2005a) into the ensemble-volume average method (Ju and Chen 1994). A numerical investigation is carried out to validate the proposed micromechanics-based constitutive model, and a parametric study on the interface moduli is conducted to investigate the effect of interface moduli on the overall behavior of the composites. In addition, molecular dynamics (MD) simulations are performed to determine the mechanical properties of the nanoparticles and polymer. Finally, the overall elastic moduli of the nanoparticle-reinforced polymer composites are estimated using the proposed multiscale approach combining the ensemble-volume average method and the MD simulation. The predictive capability of the proposed multiscale approach has been demonstrated through the multiscale numerical simulations.
In order to construct a multiscale model for the compressive strength of plain concrete columns with circular cross section subjected to central longitudinal compressive load, a column failure mechanism is proposed based on the theory of internal instability. Based on an energy analysis, the multiscale model is developed to describe the failure process and predict the column's compressive strength. Comparisons of the predicted results with experimental data show that the proposed multiscale model can accurately represent both the compressive strength of the concrete columns with circular cross section, and the effect of column size on its strength.
The two-dimensional incompressible flow of a linear viscoelastic fluid we considered in this research has rapidly oscillating initial conditions which contain both the large scale and small scale information. In order to grasp this double-scale phenomenon of the complex flow, a multiscale analysis method is developed based on the mathematical homogenization theory. For the incompressible flow of a linear viscoelastic Maxwell fluid, a well-posed multiscale system, including averaged equations and cell problems, is derived by employing the appropriate multiple scale asymptotic expansions to approximate the velocity, pressure and stress fields. And then, this multiscale system is solved numerically using the pseudospectral algorithm based on a time-splitting semi-implicit influence matrix method. The comparisons between the multiscale solutions and the direct numerical simulations demonstrate that the multiscale model not only captures large scale features accurately, but also reflects kinetic interactions between the large and small scale of the incompressible flow of a linear viscoelastic fluid.
Refined analysis depicting mass transportation and physicochemical reaction and reasonable computing load with acceptable DOFs are the two major challenges of numerical simulation for concrete durability. Mesoscopic numerical simulation for chloride diffusion considering binder, aggregate and interfacial transition zone is unable to be expended to the full structure due to huge number of DOFs. In this paper, a multiscale approach of combining both mesoscopic model including full-graded aggregate and equivalent macroscopic model was introduced. An equivalent conversion of chloride content at the Interfacial Transition Layer (ITL) connecting both models was considered. Feasibility and relative error were discussed by analytical deduction and numerical simulation. Case study clearly showed that larger analysis model in multiscale model expanded the diffusion space of chloride ion and decreased chloride content in front of rebar. Difference for single-scale simulation and multiscale approach was observed. Finally, this paper addressed some worth-noting conclusions about the chloride distribution and rebar corrosion regarding the configuration of rebar placement, rebar diameter, concrete cover and exposure period.
Modeling approach for mesoscopic model of concrete depicting mass transportation and physicochemical reaction is important since there is growing demand for accuracy and computational efficiency of numerical simulation. Mesoscopic numerical simulation considering binder, aggregate and Interfacial Transition Zone (ITZ) generally produces huge number of DOFs, which is inapplicable for full structure. In this paper, a three-dimensional multiscale approach describing three-phase structure of concrete was discussed numerically. An effective approach generating random aggregate in polygon based on checking centroid distance was introduced. Moreover, ITZ elements were built by parallel expanding the surface of aggregates on inner side. By combining mesoscopic model including full-graded aggregate and macroscopic model, cases related to diffusivity and thickness of ITZ, volume fraction and grade of aggregate were studied regarding the consideration of multiscale compensation. Results clearly showed that larger analysis model in multiscale model expanded the diffusion space of chloride ion and decreased chloride content in front of rebar. Finally, this paper addressed some worth-noting conclusions about the chloride distribution and rebar corrosion regarding the configuration of, rebar diameter, concrete cover and exposure period.
A new seamless multiscale simulation was developed for coupling the continuum model with its molecular dynamics. Kriging-based Finite Element Method (K-FEM) is employed to model the continuum base of the entire domain, while the molecular dynamics (MD) is confined in a localized domain of interest. In the coupling zone, where the MD domain overlaps the continuum model, the overall Hamiltonian is postulated by contributions from the continuum and the molecular overlays, based on a quartic spline scaling parameter. The displacement compatibility in this coupling zone is then enforced by the Lagrange multiplier technique. A multiple-time-step velocity Verlet algorithm is adopted for its time integration. The validation of the present method is reported through numerical tests of one dimensional atomic lattice. The results reveal that at the continuum/MD interface, the commonly reported spurious waves in the literature are effectively eliminated in this study. In addition, the smoothness of the transition from MD to the continuum can be significantly improved by either increasing the size of the coupling zone or expanding the nodal domain of influence associated with K-FEM.
기존의 멀티스케일 유한요소법(Multiscale finite element, FE2 )은 거시 스케일의 모든 적분점에서 대표 체적요소(representative volume element, RVE)의 미시 경계치 문제를 반복적으로 계산하기 때문에 긴 해석 시간과 많은 데이터 저장 공간을 필요로 한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서 평균장 균질화 데이터 기반 멀티스케일 해석 기법을 개발하였다. 데이터 기반 전산역학(data-driven computational mechanics, DDCM) 해석은 변형률-응력 데이터 셋을 직접적으로 사용하는 모델-프리(model-free)접근 방식이다. 멀티스케일 해석을 수행하기 위해, 평균장 균질화(mean-field homogenization)를 활용하여 복합재의 미세구조에 대한 변형률-응력 데이터베이스(database)를 효율적으로 구축하고, 이를 기반으로 데이터 기반 전산역학 시뮬레이션을 수행하였다. 본 논문에서는 개발한 멀티 스케일 해석 프레임워크(framework)를 예제에 적용하여, 초탄성(hyperelasticity) 복합재의 미세 구조를 고려한 데이터 기반 전산역학 시뮬레이션 결과를 확인하였다. 따라서, 데이터 기반 전산역학 접근 방식을 활용한 멀티스케일 해석기법은 다양한 재료 및 구조에 적용될 수 있으며, 멀티스케일 해석 연구 및 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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