향상된 유전자 발현 프로그래밍을 기반으로 한 복합재료의 크리프 모델링

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22244(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 복합재료의 크리프 모델링 및 성능 예측을 위한 새로운 방법을 제시합니다. Findley 거듭제곱 법칙 모델은 일반적으로 낮은 응력 하에서 재료의 1차원 시간 의존 크리프를 연구하는 데 적합하므로 지능형 컴퓨팅 방법을 사용하여 세 가지 온도 관련 하위 함수인 크리프 모델을 시간과 온도의 함수로 도출합니다. 설립되었습니다. 수렴 속도를 가속화하고 솔루션 정확도를 향상시키기 위해 확률 기반 인구 초기화 및 세미 엘리트 룰렛 선택 전략을 채택하여 향상된 유전자 발현 프로그래밍(IGEP) 알고리즘을 제안합니다. 7개 온도에서의 단기 크리프 데이터를 기반으로 특정 물리적 중요성을 지닌 이변량 크리프 모델이 개발되었습니다. 고정된 온도에서는 일변량 크리프 모델이 획득됩니다. 개발된 모델의 타당성을 점탄성 모델과 비교하여 검증하기 위해 R2, RMSE, MAE, RRSE 통계 지표를 사용합니다. Shift Factor는 Arrhenius 방정식으로 해결됩니다. 크리프 마스터 곡선은 시간-온도 중첩 모델에서 파생되었으며 Burgers, Findley 및 HKK 모델로 평가되었습니다. IGEP 모델의 R-square는 0.98 이상으로 기존 모델보다 우수합니다. 또한 이 모델은 t = 1000h에서의 크리프 값을 예측하는 데 사용됩니다. 실험값과 비교하면 상대오차는 5.2% 이내이다. 결과는 개선된 알고리즘이 복합재의 장기 크리프 성능을 정확하게 예측하는 효과적인 모델을 구축할 수 있음을 보여줍니다.

섬유 강화 고분자 복합 재료는 널리 사용되는 복합 재료의 일종으로 높은 비강도 및 모듈러스, 피로 및 내식성, 저밀도, 경량이라는 장점을 갖고 있어 토목 공학, 항공 우주, 자동차 및 산업 분야에 적용되고 있습니다. 건설 산업 등1,2. 실제 적용에서는 긴 사용 수명이 필요합니다. 그러나 재료의 점탄성 특성으로 인해 장기간 하중을 받는 동안 구조물이 크리프 거동을 겪게 되며 이는 복합재의 내구성과 신뢰성에 영향을 미칩니다. 크리프는 일정한 응력 하에서 시간에 따른 변형입니다. 크리프 변형의 메커니즘은 재료마다 다르지만 일반적으로 크리프 과정은 1차(과도) 크리프, 2차(정상 상태), 3차(가속) 크리프의 세 단계로 설명됩니다. 1차 단계에서는 시간이 지남에 따라 변형이 급격히 증가하고 크리프율이 감소합니다. 2차 단계에서는 변형이 거의 균일하고 크리프 속도가 일정하게 유지됩니다. 3차 단계에서는 일정 기간 내에 전체 변형을 겪은 후 재료가 파손될 때까지 변형 및 크리프 속도가 급격히 증가합니다3,4. 따라서 크리프 성능에 대한 모델링 연구는 이론적으로 큰 의미를 갖는다.

현재 복합재의 크리프 성능을 설명하는 모델은 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 유형은 물리적 모델이고 재료 자체의 크리프 메커니즘을 기반으로 하며 마이크로/메조 역학 및 열역학의 도움으로 확립됩니다. , 주로 Maxwell 모델, Kelvin 모델, Burgers 모델, Boltzmann 모델 및 Schapery 모델을 포함합니다. 두 번째 유형은 현상학적 모델로 크리프 현상을 수학적으로 설명하는 것으로 고정 함수 형태의 제약에서 자유롭고 크리프의 물리적 특성을 반영하지 않으며 주로 Findley 모델과 시간-온도 중첩 모델을 포함합니다. 최근에는 이 두 가지 유형의 모델에 대한 연구가 점점 더 많아지고 있습니다.

물리적 모델에서 Katouzian et al.5는 Schapery 모델을 기반으로 복합 재료의 크리프 거동을 시뮬레이션하기 위해 유한 요소법을 사용했습니다. Rafiee와 Mazhari6는 내부 압력을 받는 특정 GFRP 파이프의 장기 거동을 예측하기 위해 50년 후 파이프의 잔류 강도를 얻기 위해 Boltzmann 모델을 개발했습니다. Berardi 등7은 실온에서 섬유 강화 폴리머 적층체의 크리프 실험을 수행하고 섬유의 Burgers 모델을 확립했습니다. Jia 등8은 Burgers 모델과 Weibull 분포 함수를 사용하여 폴리프로필렌/다중벽 탄소나노튜브 복합재의 크리프 및 회복 특성에 대한 나노필러의 영향을 분석한 후 재료의 장기 크리프 거동을 시간-온도에 따라 예측했습니다. 중첩 모델. Asyraf 등9은 Burgers 모델이 복합재 구조물의 탄성 및 점탄성 거동을 설명하는 데 매우 실용적이라는 사실을 발견했습니다.