Περιδυναμικό κύτταρο μονάδας για ομογενοποίηση
Τα σύνθετα υλικά είναι εγγενώς ανισότροπα και ετερογενή σε μικρομηχανική κλίμακα και η μικροδομή τους παρέχει τη γέφυρα μεταξύ κατασκευής και απόδοσης. Η πρόβλεψη της απόδοσης και η μεταβλητότητά της απαιτεί μοντελοποίηση της μικροδομής.
Επομένως, οι ακριβείς τεχνικές ομογενοποίησης καθίστανται απαραίτητες για την ελαχιστοποίηση του χρόνου σχεδιασμού για νέα συστήματα σύνθετων υλικών σύμφωνα με τα λειτουργικά περιβάλλοντα. Ωστόσο, η ετερογενής μικροδομή μπορεί να υποφέρει από ρωγμές και αποκόλληση της μήτρας κατά μήκος της ενδιάμεσης φάσης ίνας-μήτρας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Η ομογενοποίηση μετατρέπει μια δομή με ετερογένεια υλικού σε μια συστατικά ισοδύναμη δομή με ένα ομοιογενές υλικό. Η προσέγγιση Unit Cell (UC) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ομογενοποίηση των ετερογενών υλικών για τον προσδιορισμό αποτελεσματικών ιδιοτήτων με την υπόθεση της περιοδικότητας παρουσία μιας μικρής αναλογίας μεγέθους UC προς τη χαρακτηριστική παραμόρφωση, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Πολλές υπάρχουσες τεχνικές ομογενοποίησης οδηγούν σε ακριβείς προβλέψεις για αποτελεσματικές ιδιότητες υλικού, λαμβάνοντας υπόψη τη μικροδομική τοπολογία και τις ιδιότητες των συστατικών υλικών. Ωστόσο, δεν είναι κατάλληλα για να συλλάβουν την επίδραση των ελαττωμάτων στις αποτελεσματικές ιδιότητες, λόγω της μοναδικής φύσης του πεδίου τάσης λόγω της παρουσίας ρωγμών και κενών στη μήτρα και ρωγμών στη μεσοφάση. Επομένως, αποτυγχάνουν να παρέχουν σύλληψη για ζημιές που είναι σημαντικές για την ανάλυση προοδευτικής αστοχίας των σύνθετων υλικών.
Μια μη τοπική προσέγγιση συνεχούς, η Περιδυναμική (PD), που εισήχθη από τον Silling από τα Εθνικά Εργαστήρια Sandia το 2000, παρακάμπτει αυτόν τον περιορισμό αφαιρώντας απλώς τους δεσμούς PD μεταξύ υλικών σημείων, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Είναι εξαιρετικά κατάλληλο για μοντελοποίηση κατασκευών με υλικά και γεωμετρικές ασυνέχειες με αυθαίρετα σχήματα και αριθμό υλικών οπλισμού, κενά και ρωγμές. Επίσης, το PD επιτρέπει την εφαρμογή περιοδικών συνοριακών συνθηκών με φυσικό τρόπο χωρίς συνθήκες περιορισμού. Επιπλέον, το PD εισάγει την ιδέα ότι μια εσωτερική παράμετρος μήκους, που λείπει από το υπάρχον μοντέλο, παρέχει τη δυνατότητα για δυνατότητα μοντελοποίησης υλικού πολλαπλής κλίμακας.
Το κελί μονάδας PD που εισήχθη από τον Madenci από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα το 2017 εκτιμά τις αποτελεσματικές θερμοελαστικές ιδιότητες πολύπλοκων ετερογενών δομών παρουσία ελαττωμάτων και κενών σε κλίμακες πολλαπλών μήκους που συνδέουν τα μικρο- και μακρο-δομικά επίπεδα. Σε αντίθεση με τα υπάρχοντα κελιά μονάδας, παρέχει επίσης τον τανυστή βλάβης, ο οποίος επιτρέπει τη μεταφορά πληροφοριών μεταξύ αναλύσεων μικρο- και μακρο-κλίμακας. Αυτή η ικανότητα παρέχει όχι μόνο μια ακριβή πρόβλεψη για αποτελεσματικές ιδιότητες, αλλά επιτρέπει επίσης την ανάκτηση των πεδίων τοπικής μετατόπισης, τάσης και παραμόρφωσης εντός του UC, τα οποία μπορεί να είναι απαραίτητα για περαιτέρω ανάλυση. Έτσι, οδηγεί σε μια βιώσιμη ικανότητα πρόβλεψης προοδευτικής αποτυχίας.
Αποτελεί μέρος ενός εργαλείου ανάλυσης PD πολλαπλής κλίμακας για την έναρξη/διάδοση ζημιών και τον τανυστή βλάβης, ενώ περιλαμβάνει τη μικροδομική αρχιτεκτονική με ή χωρίς ελαττώματα για την εκτέλεση ανάλυσης προοδευτικής αστοχίας βάσει φυσικής κάτω από πολύπλοκα φορτία σε ακραία περιβάλλοντα. Αυτό το εργαλείο λαμβάνει υπόψη τη φύση της αστοχίας στις ισχύουσες κλίμακες, σύμφωνα με τη χαρακτηριστική δομική κλίμακα.
Ενσωματώνει αναλύσεις μακρο-, μεσο- και μικροκλίμακας σε ένα ενιαίο υπολογιστικό πλαίσιο. Παρέχει τη βασική βάση για την εκτέλεση πρόβλεψης ζωής και υπολειπόμενης ζωής υπό κυκλικά φορτία και περιλαμβάνει μεταβλητότητα ιδιοτήτων υλικού και κατασκευαστικά ελαττώματα. Το PD UC μπορεί εύκολα να εφαρμοστεί σε ένα εμπορικά διαθέσιμο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων για αποτελεσματικές ιδιότητες υλικού και φυσικών. Η έρευνα παρέχει στους μηχανικούς σχεδιασμού και κατασκευής μια καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων διεπαφής υλικού.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο, Περιδυναμική ομογενοποίηση μονάδων κυττάρων για θερμοελαστικές ιδιότητες ετερογενών μικροδομών με ελαττώματα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Composite Structures. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον E. Madenci από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, τον A. Barut από το Global Engineering Research and Technologies και τον N. Phan από τη Διοίκηση Ναυτικών Συστημάτων Αεροπορίας των ΗΠΑ.
