기사 키워드: 금속 매트릭스 복합 재료의 효과적인 성능 구조 토폴로지 최적화
논문 요약: 금속 매트릭스 복합 재료는 금속 구조 재료와 보강재의 장점을 매트릭스로 결합합니다. 고강도 성능, 탄성 계수 및 우수한 피로 성능의 특성. 상대적으로 쉬운 생산 공정과 저렴한 가격으로 인해 입자 강화 금속 매트릭스 복합재는 광범위한 상업적 가치를 보여 왔습니다. 그리고 다른 산업 부문도 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 이러한 이유로 전 세계 주요 기업과 연구 기관에서는 다단계에서 대규모 연구 및 응용 개발을 진행하고 있습니다. 저자는 관련 문헌을 많이 읽고, 최근 국내외 학자들의 금속 매트릭스 복합재에 대한 연구를 검토했는데, 이는 실용적인 의미가 있다.
1. 입자가 무작위로 분포된 금속 매트릭스 복합재료의 효과적인 성능에 관한 연구
1990년대 중반 Povirk, Gusev 등이 대표자로 대체할 수 있음을 입증했습니다. 유한 체적을 갖는 체적 요소 전체 복합 재료는 메조 구조를 시뮬레이션하여 복합 재료의 거시적 특성과 구성 재료의 재료 특성 및 메조 구조 사이의 정량적 관계를 설정합니다.
컴퓨터 기술의 급속한 발전으로 수치해석 방법은 복합재료의 기계적 해석에 있어서 필수적인 도구가 되었습니다. 수치모사를 할 때 적절한 수학적 모델을 확립하는 것은 수치모사 및 복합재료 계산의 핵심입니다. 동등한 성능을 위한 기초.
유한 요소법을 기반으로 한 다중 규모 등가 성능 계산은 현재 복합 재료의 미세 구조와 거시적 기계적 거동 간의 관계를 연구하는 데 효과적이고 중요한 방법입니다. 이 방법을 채택하는 전제는 무작위 입자 분포 영역의 기하학적 모델링 및 메쉬를 포함하여 복합 재료의 유한 요소 모델을 구축한 다음 다중 규모 계산을 수행하는 것입니다.
복합재료의 등가물성을 계산하기 위한 수치적 방법으로는 국내외에서 다양한 수치적 방법이 개발되어 왔다. 일반적으로 역분석법과 직접분석법으로 나눌 수 있다. 역해석 방법의 핵심은 현장 관찰 결과를 바탕으로 복합재료의 기계적 매개변수를 역전시키는 것입니다. 후방 분석 방법은 주로 재료 공정의 측정된 변위, 구성 모델 및 재료 매개변수의 가정에 의존합니다. 현장 관찰 데이터의 획득은 객관적인 조건과 복합재료에 대한 이해 부족으로 인해 영향을 받기 때문에 모델 및 재료 매개변수 가정이 실제와 매우 다른 경우가 많으므로 이 방법은 실제 적용에 몇 가지 어려움을 겪었습니다. 이러한 이유로 사람들은 복합 재료의 기계적 매개변수를 예측하기 위해 다른 방법, 즉 직접 분석 방법을 선택하려고 합니다. 이산요소법은 복합재료의 이산화 후 계산 결과의 오류를 잘 해결하지 못하므로 현재 이산요소법을 기반으로 한 거시역학적 매개변수 계산에 대한 연구는 거의 없으며 주로 수치해석에 기반을 두고 있다. 유한 요소법에 기초한 분석 방법은 먼저 입상 재료의 통계 모델을 확립한 다음 다양한 규모의 복합 재료 "시편"을 시뮬레이션합니다. 이렇게 얻은 복합 재료 "시편"은 다음과 같이 구성됩니다. 매트릭스와 강화 입자 및 그 기계적 매개변수는 실험실에서 분리될 수 있습니다. 분석을 위해 유한요소법을 결정하고 적용한 다음 입자 통계적 기계적 매개변수를 얻습니다. 이 방법의 계산 결과의 정확성은 입자 통계 모델의 정확성과 유한 요소 알고리즘의 합리성에 따라 달라집니다. 비록 이 과정에서 오류가 있지만 그 오류는 현장 실제 측정보다 크지 않습니다. 이 방법의 단점은 크기 효과를 피하기 위해 다양한 규모의 "시편"을 시뮬레이션할 때 계산 비용이 증가하고, 계산 규모가 증가하면 "시편"의 입자 수가 크게 증가한다는 것입니다. 유한 요소법의 문제는 해부 및 계산에 어려움을 줍니다.
다른 학자들은 유한요소법과 등가관점, 즉 일정한 등가원리를 바탕으로 입자가 입자에 미치는 영향을 거시적으로 고려하여 입자강화복합재료의 등가물성을 연구해 왔다. 재료의 기계적 성질에 영향을 미치며, 전체 입자 강화 복합재료는 균질화되고 연속적이며, 유한요소 계산에 의해 등가 기계적 성질을 구하는 방법에는 주로 재료 매개변수 등가법, 에너지 등가법이 있습니다. 등. 이러한 등가 방법은 적용 가능한 측면이 있지만 등가체의 크기 효과 등과 같은 여전히 특정 제한 사항이 있습니다. 재료 매개변수의 균질화 이론과 관련하여 복합재의 거시적 특성을 연구하는 새로운 방법입니다. 예를 들어, A. Bensousson, J.L. Lion 등은 작은 주기 구조 문제의 점근적 분석을 위해 균질화된 재료 계수의 개념을 제시했습니다. 작은 주기 구조를 이용한 균질화 이론과 Chen Zhiming 등은 이를 기반으로 1차 점근적 확장 유한 요소에 대한 이론적 추정을 제시했습니다. -작은 주기적 구조에 대한 규모 일치 알고리즘. 대칭을 갖는 기본 셀에 대해 고차 점근 확장 및 유한 요소 추정이 주어지며, 이 방법은 공학 계산에 적용되어 균질화가 이론 분석에서 수치 계산으로 이동하게 합니다. 단계 및 실제 적용 단계에서는 매우 복잡한 미세 구조를 가진 이종 재료의 거시적 기계적 매개변수 계산을 현실로 만들고 주기적으로 편조된 복합 재료의 등가 기계적 매개변수를 계산하기 위한 이중 규모 방법이 제공됩니다.
등가계산을 할 때에는 먼저 2차원 단위셀 모델, 2차원 다입자 단위셀 모델, 3차원 다입자 단위셀 모델 등 물질의 단위셀 모델을 확립하는 것이 필요하다. 차원 단위 셀 모델, 3차원 다입자 단위 셀 모델 및 부피 단위 모델을 나타냅니다. 우한 공과대학 Qu Pengcheng 교수 등은 주사전자현미경 샘플의 단면 현미경 관찰을 기반으로 유한 요소 모델을 확립하고 SiC 입자 강화 Al 기반의 등가 탄성-가소성 기계적 성능 특성 곡선을 성공적으로 예측했습니다. 복합 재료. Soppa는 부피 함량이 10% Al2O3인 강화 6061Al 기반 복합재료의 실험적 미세 관찰과 부품 유한 요소 해석 모델을 기반으로 잔류 열 응력이 PRMMC의 변형 및 손상에 미치는 영향을 관찰했습니다. Han 등은 PRMMC의 기계적 특성과 균열 발생을 연구하기 위해 3차원 다입상 단위 셀 모델을 사용했습니다.
2. 복합재료 미세구조의 위상최적화 연구
구조적 위상최적화는 구조적 형상최적화의 발전이자 레이아웃 최적화의 한 측면이다. 형상 최적화가 점차 성숙해지면서 구조적 토폴로지 최적화라는 새로운 개념이 개발되기 시작했습니다. 이제 토폴로지 최적화는 구조 최적화 분야의 최신 핫스팟이 되고 있습니다. Roderick Lakes(1987, 1993)가 제안한 음의 포아송비 계수를 갖는 폼 재료와 다양한 구성 재료의 복합재를 사용하면 어떤 단상 재료와도 비교할 수 없는 극한의 재료 특성(예: 팽창 계수 0, 전단 성능 0)을 얻을 수 있습니다. )을 얻을 수 있으며, 새로운 발견의 정교화를 통해 토폴로지 최적화 분야에 재료 미세 구조의 최적 설계가 포함되었습니다. 특히 1990년대 중반 지그문트(Sigmund)가 제안한 이 물질은 이제 재료 연구 분야의 최첨단 주제 중 하나가 되었습니다. 2002년 제9차 AIAA 연례 회의에서 Kalidindi 등은 "Microstructure Sensitive Design(MSD-Microstructure Sensitive Design)"이라는 개념을 제안하여 미세 구조 구성 및 부품 최적화 설계에 대한 아이디어와 시스템을 더욱 개선하고 발전시켰습니다. 이러한 선구적인 연구는 복합 재료 및 구조의 토폴로지 최적화 설계를 위한 견고한 기반을 마련했으며 재료 미세 구조의 최적 설계를 더욱 촉진했습니다.
미세구조 단위셀에 대한 균질화 기술을 이용하여 복합재료의 거시적 특성을 얻을 수 있으며, 미세구조 단위셀에 대한 토폴로지 최적화 설계를 수행함으로써 음의 포아송비, 우수한 열팽창 계수, 제로 전단 성능 및 우수한 압전 특성을 지닌 네거티브 압전 재료. 단위 셀의 토폴로지 최적화 설계의 경우 문제는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 주어진 값과 동일한 구성 계수를 만족하는 최소 부피 백분율 문제이고, 다른 하나는 일련의 부피를 만족하는 극단적인 재료 상수 문제입니다. 제약 조건 및 대칭 조건. Silva는 균질화 방법을 기반으로 극한 특성을 갖는 2차원 및 3차원 압전 재료의 최적화 설계를 수행했으며, 국내 Yuan Zhen과 Wu Changchun은 극한 특성을 갖는 탄성 재료의 최적화 설계를 수행했으며 Yang Wei 등이 사용했습니다. 특정 특성을 지닌 탄성 재료의 최적화 설계를 수행하기 위한 최적화 기준 방법 미세 구조 설계를 통해 음의 포아송 비를 갖는 재료 설계가 가능합니다.
열 전달 성능을 기반으로 한 미세 구조 최적화 설계는 아직 초기 단계입니다. Zhang Weihong 등은 균질화 방법을 기반으로 재료의 열 전도 성능을 예측하고, 극한의 열 전도성을 갖는 복합 재료를 얻기 위해 주어진 재료 투입량에서 복합 재료를 설계했습니다. 속성.
토폴로지 최적화에는 크기 최적화와 모양 최적화의 복잡성이 포함되며 미세 구조의 최종 토폴로지 형태는 알려져 있지 않습니다. 목적 함수로서 유연성을 최소화하면서 미세 구조 토폴로지 최적화를 통해 얻은 벌집 구조는 표준 정육각형 벌집 구조입니다.
3. 개요
금속 매트릭스 복합재료는 최근 몇 년간 급속히 발전한 첨단 공학 신소재로 그 우수한 성능으로 국내외에서 큰 주목을 받고 있다. . SiC 입자 강화 알루미늄 매트릭스 복합재는 현재 복합 재료에서 가장 눈길을 끄는 시스템 중 하나이며 이론적으로나 실험적으로 이상적인 복합 재료 연구 대상입니다. 이 기사에서는 국내외 금속 매트릭스 복합재료의 효과적인 성능 연구 및 복합 미세 구조 토폴로지 최적화를 검토하며, 이는 금속 매트릭스 복합 재료 연구에 특정 지식 중요성을 가지고 있습니다.