복합 재료는 본질적으로 미세 기계적 규모로 이방성 및 이질적이며, 미세 구조는 제조와 성능 사이의 다리를 제공합니다. 성능의 예측과 그 변동성은 미세 구조의 모델링이 필요합니다.
따라서, 운영 환경에 따라 새로운 복합 재료 시스템의 설계주기 시간을 최소화하기 위해 정확한 균질화 기술이 필수적이된다. 그러나, 이질적인 미세 구조는 아래 그림과 같이 제조 공정 동안 섬유 매트릭스 간기를 따라 매트릭스 균열 및 디 본드로 어려움을 겪을 수있다.
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균질화는 물질 이질성을 갖는 구조를 균질 물질을 갖는 구성 적으로 동등한 구조로 변형시킨다. 단위 셀 (UC) 접근법은 아래 그림과 같이, UC 크기의 작은 비율의 특성에 대한 작은 비율의 존재하에 주기성의 가정하에 효과적인 특성을 결정하기 위해 이종 재료를 균질화하기 위해 사용될 수있다.
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기존의 많은 균질화 기술은 미세 구조 토폴로지 및 구성 재료 특성을 설명하면서 효과적인 재료 특성에 대한 정확한 예측으로 이어집니다. 그러나, 이들은 매트릭스에 균열 및 공극이 존재하기 때문에 응력 장의 특이한 특성으로 인해 효과적인 특성에 대한 결함의 영향을 포착하는 데 적합하지 않습니다. 따라서 복합재의 점진적인 고장 분석에 필수적인 손상에 대한 캡처를 제공하지 못합니다.
2000 년 Sandia National Labs의 Silling에 의해 도입 된 비 국소 연속체 접근법 인 PD (Peridynamics)는 아래 그림과 같이 재료 지점 사이의 PD 결합을 제거함으로써 이러한 제한을 우회합니다. 임의의 모양과 보강재, 공극 및 균열의 수를 갖는 재료 및 기하학적 불연속을 갖는 구조를 모델링하는 데 매우 적합합니다. 또한, PD는 제약 조건없이 자연스럽게 주기적 경계 조건을 적용 할 수있게한다. 또한 PD는 기존 모델에 부족한 내부 길이 매개 변수가 다중 규모 자료 모델링 기능을 제공한다는 아이디어를 소개합니다.
2017 년 애리조나 대학교 (University of Arizona)에서 Madenci가 도입 한 PD 단위 셀은 미세 및 거시적 구조 수준을 결합하여 다중 길이 스케일에서 결함 및 공극의 존재 하에서 복잡한 이종 구조의 효과적인 열 탄성 특성을 추정합니다. 기존 단위 셀과 달리 손상 텐서를 제공하여 마이크로- 스케일 분석 사이의 정보를 전송할 수 있습니다. 이 기능은 효과적인 특성에 대한 정확한 예측뿐만 아니라 UC 내의 로컬 변위, 응력 및 변형 필드의 회복을 가능하게하며, 이는 추가 분석에 필요할 수 있습니다. 따라서, 그것은 실행 가능한 진보적 실패 예측 능력으로 이어집니다.
이는 극한 환경에서 복잡한 하중 하에서 물리 기반 점진적 고장 분석을 수행하기 위해 결함이 있거나없는 미세 구조 아키텍처를 포함하는 동안 손상 개시/전파 및 손상 텐서를위한 다중 규모 PD 분석 도구의 일부입니다. 이 도구는 특징적인 구조적 척도와 일치하는 통치 척도에서 고장의 특성을 설명합니다.
단일 계산 프레임 워크에서 거시적, 메소-및 마이크로 스케일 분석을 통합합니다. 주기적 부하에서 생명과 남은 생명 예측을 수행 할 수있는 기본 기초를 제공하며 재료 속성 변동성 및 제조 결함을 포함합니다. PD UC는 효과적인 재료 및 물리적 특성을 위해 상업적으로 이용 가능한 유한 요소 프로그램으로 쉽게 구현 될 수 있습니다. 이 연구는 설계 및 제조 엔지니어에게 재료 인터페이스 특성을 더 잘 이해할 수 있습니다.
이러한 발견은 최근에 저널 복합 구조에 발표 된 결함이있는 이질적인 미세 구조의 열 탄성 특성에 대한 페리 닉 단위 세포 균질화라는 제목의 기사에 설명되어있다. 이 작업은 애리조나 대학교 (University of Arizona)의 E. Madenci, Global Engineering Research and Technologies의 A. Barut 및 US Naval Air Systems 사령부의 N. Phan에 의해 수행되었습니다.
