改良された遺伝子発現プログラミングに基づく複合材料のクリープモデリング

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22244 (2022) この記事を引用

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この記事では、複合材料のクリープモデリングと性能予測のための新しい方法を紹介します。 Findley べき乗則モデルは通常、低応力下の材料の一次元の時間依存クリープを研究するのに適しているため、インテリジェントなコンピューティング手法を利用して、時間と温度の関数としてのクリープ モデルという 3 つの温度関連のサブ関数を導き出します。確立されています。 収束率を加速し解の精度を向上させるために,確率ベースの集団初期化とセミエリートルーレット選択戦略を採用することにより,改良された遺伝子発現プログラミング(IGEP)アルゴリズムを提案した。 7 つの温度での短期クリープ データに基づいて、特定の物理的重要性を持つ二変量クリープ モデルが開発されます。 固定温度では、一変量クリープ モデルが取得されます。 R2、RMSE、MAE、RRSE 統計指標は、粘弾性モデルとの比較により、開発されたモデルの妥当性を検証するために使用されます。 シフト係数はアレニウス方程式で解きます。 クリープマスター曲線は時間と温度の重ね合わせモデルから導出され、Burgers、Findley、および HKK モデルによって評価されます。 IGEP モデルの R 二乗は 0.98 を超えており、従来のモデルよりも優れています。 さらに、このモデルは t = 1000 h でのクリープ値を予測するために利用されます。 実験値と比較すると、相対誤差は 5.2% 以内です。 結果は、改良されたアルゴリズムにより、複合材料の長期クリープ性能を正確に予測する効果的なモデルを確立できることを示しています。

繊維強化ポリマー複合材料は、広く使用されている複合材料の一種であり、高い比強度と弾性率、耐疲労性と耐腐食性、低密度、軽量という利点があり、土木工学、航空宇宙、自動車、その他の分野で応用されています。建設業等1,2． 実際の用途では、長い耐用年数が必要です。 ただし、材料の粘弾性特性により、長期にわたる耐荷重中に構造にクリープ現象が発生し、複合材料の耐久性と信頼性に影響を与えます。 クリープは、一定の応力下での時間に依存する変形です。 クリープ変形のメカニズムは材料ごとに異なりますが、クリープ プロセスは一般に、一次 (過渡)、二次 (定常状態)、三次 (加速) クリープの 3 つの段階を含むと説明できます。 一次段階では、変形が急速に増加し、時間の経過とともにクリープ速度が減少します。 第 2 段階では、変形はほぼ均一であり、クリープ速度は一定のままです。 第 3 段階では、変形とクリープ速度が急速に増加し、材料は一定期間内に総ひずみを受けた後に破断します 3,4。 したがって、クリープ性能のモデル化研究は理論的に非常に重要です。

現在、複合材料のクリープ性能を記述するモデルは 2 つのカテゴリに分類できます。1 つ目のタイプは物理モデルで、材料自体のクリープ機構に基づいており、マイクロ/メソメカニクスおよび熱力学の助けを借りて確立されています。 、主にマクスウェル モデル、ケルビン モデル、バーガーズ モデル、ボルツマン モデル、シャペリ モデルが含まれます。 2 番目のタイプは現象論的モデルで、クリープ現象を数学的に記述したもので、固定関数形式の制約がなく、クリープの物理的性質を反映していません。これには主にフィンドリー モデルと時間と温度の重ね合わせモデルが含まれます。 最近では、この 2 種類のモデルに関する研究が増えています。

物理モデルでは、Katouzian ら 5 は有限要素法を使用して、Schapery モデルに基づいて複合材料のクリープ挙動をシミュレーションしました。 Rafiee と Mazhari6 は、内圧を受ける特定の GFRP パイプの長期挙動を予測するために、50 年後のパイプの残留強度を取得するボルツマン モデルを開発しました。 Berardi ら 7 は、室温で繊維強化ポリマー積層体のクリープ実験を実施し、繊維の Burgers モデルを確立しました。 Jia et al.8 は、Burgers モデルと Weibull 分布関数を使用して、ポリプロピレン/多層カーボンナノチューブ複合材料のクリープ特性と回復特性に対するナノフィラーの影響を分析し、材料の長期クリープ挙動を時間と温度によって予測しました。重ね合わせモデル。 Asyraf et al.9 は、Burgers モデルが複合構造の弾性および粘弾性挙動を説明するのに非常に実用的であることを発見しました。