요약: 금속 기반 복합 재료는 금속 구조 재료와 기체로서의 보강체의 장점을 결합하여 강도, 고탄성 계수 및 피로 성능이 우수합니다. 제조 공정이 비교적 간단하고 가격이 저렴하기 때문에 입자 강화 금속 매트릭스 복합 재료는 광범위한 상업적 가치를 보여줍니다. 금속 기반 복합 재료는 먼저 항공 우주 분야에 적용되며, 가격이 계속 하락하면서 자동차, 전자, 기계 등 공업 분야에서도 응용이 점점 더 광범위해지고 있다. 이 때문에 전 세계 주요 기업과 연구기관들이 it 에 대한 연구와 응용 개발을 다층적이고 광범위하게 전개하고 있다. 필자는 대량의 관련 문헌을 읽은 후, 최근 몇 년 동안 국내외 학자들이 금속기 복합 재료에 대한 연구를 총결하여 어느 정도의 현실적 의의를 가지고 있다.
1. 무작위 입자 분포 금속 매트릭스 복합 재료의 유효 성능에 관한 연구
1990 년대 중반, 포빅, 구세프 등은 전체 복합재료가 제한된 부피의 대표적인 부피원으로 미시 구조를 시뮬레이션할 수 있다는 것을 증명했다. 복합 재료의 거시적 성능과 그 구성 재료의 성능과 미시 구조 사이의 정량적 관계를 수립했다.
컴퓨터 기술의 급속한 발전에 따라 수치 분석 방법은 복합 재료 역학 분석에 없어서는 안 될 도구가 되었다. 수치 시뮬레이션을 할 때 적절한 수학적 모형을 작성하는 것은 수치 시뮬레이션이 복합 재질의 등가 성능을 계산하는 기초입니다.
유한 요소 방법에 기반한 다중 스케일 등가 성능 계산은 복합 재료의 미세 구조와 거시 역학 동작 간의 관계를 연구하는 효과적이고 중요한 방법입니다. 이 방법의 전제는 임의 입자 분포 영역의 형상 모델링 및 메쉬 생성을 포함한 복합 재질의 유한 요소 모형을 만든 다음 다중 스케일 계산을 수행할 수 있다는 것입니다.
국내외에서 각종 복합 재료의 동등한 성능을 계산하는 수치 방법을 발전시켰다. 일반적으로 역 분석과 직접 분석으로 나눌 수 있습니다. 반분석법의 본질은 현장 관측 결과에 따라 복합 재질의 역학 매개변수를 반연하는 것이다. 역분석 방법은 주로 재질 경로의 측정 변위, 구성 모형 및 재질 매개변수의 가정에 따라 달라집니다. 객관적인 조건의 영향과 복합 재료에 대한 이해 부족으로 인해 모형 및 재질 매개변수의 가정은 종종 실제 상황과 크게 다르기 때문에 이 방법은 실제 적용에서 몇 가지 어려움을 겪고 있습니다. 따라서 사람들은 복합 재료의 역학 매개변수를 예측하기 위해 직접 분석법인 다른 방법을 선택하려고 합니다. 이산원법은 이산복합재료 계산 결과의 오차를 잘 해결할 수 없기 때문에 이산원법에 기반한 거시역학 매개변수 계산 연구는 매우 적다. 현재의 수치 분석 방법은 주로 유한 요소법에 기반을 두고 있으며, 계산 과정은 입자 재질의 통계 모형을 먼저 만든 다음 다양한 크기의 복합 재질 "시편" 을 시뮬레이션하는 것입니다. 이렇게 얻은 복합 재질 "시편" 은 기체와 강화 입자로 구성될 수 있으며, 그 역학 매개변수는 실험실에서 개별적으로 결정된 다음 유한 요소 분석을 수행하여 입자의 통계 역학 매개변수를 얻을 수 있습니다. 이 방법의 계산 결과의 정확성은 입자 통계 모델의 정확성과 유한 요소 알고리즘의 합리성에 따라 달라집니다. 이 과정은 오차가 있지만 오차는 제자리 측정보다 크지 않습니다. 이 방법의 단점은 크기 효과를 피하기 위해 서로 다른 크기의 "파일럿" 을 시뮬레이션할 때 계산 비용이 증가하고 계산 치수가 증가하면 "파일럿" 의 입자 수가 크게 증가하여 유한 요소 분할 및 계산에 어려움이 있다는 것입니다.
일부 학자들은 유한 요소법과 동등한 관점을 바탕으로 입자 강화 복합 재질의 등가 성능을 연구했습니다. 즉, 특정 등가 원칙에 따라 입자가 재질 역학 성능에 미치는 영향을 거시적으로 고려하고 전체 입자 강화 복합 재질을 균일화, 연속화한 다음 유한 요소 계산을 통해 동등한 역학 성능을 얻습니다. 그러나 동등한 치수 효과 등과 같은 몇 가지 한계가 있습니다. 복합 재료의 거시적 성질을 연구하는 새로운 방법으로 수학자들은 A.Bensousson, J.L.Lion 등과 같은 많은 연구를 했다. , 작은 주기 구조 문제에 대한 단계별 분석을 위해 균일화 재질 계수의 개념을 제공합니다. O.A.Oleinik 등은 균일화 이론과 작은 주기 구조를 가진 1 차 점진적 분석 이론을 심도 있게 연구했다. 이를 바탕으로 후화는 유한 요소를 점진적으로 전개하는 이론적 추정치를 제시했다. 최준지 등은 작은 주기 구조의 이중 잣대 돌연변이 알고리즘을 제시했다. 대칭이 있는 기본 셀의 경우 높은 단계의 점진적 공식과 유한 요소 추정이 제공되고 이 방법이 엔지니어링 계산에 적용되어 이론적 분석이 수치 계산에 균일화되었습니다. 단계 및 실제 적용 단계에서는 복잡한 미세 구조가 있는 비균일 재질의 거시적 역학 매개변수를 계산할 수 있으며, 주기 편조 복합 재질의 등가 역학 매개변수를 계산하는 2 단계 방법을 제공합니다.
동등한 계산에서는 2 차원 셀 모델, 2 차원 다중 입자 셀 모델, 3 차원 셀 모델, 3 차원 다중 입자 셀 모델 및 대표 셀 모델과 같은 재료의 셀 모델을 설정해야 합니다. 우한 이공대 곡붕정 교수 등. SEC 입자 강화 알루미늄 매트릭스 복합 재료의 등가 탄성-플라스틱 역학 성능 특성 곡선은 SEM 샘플 횡단면에 따라 유한 요소 모형을 설정하는 데 성공했습니다. Soppa 는 10%Al2O3 의 볼륨 함량에 따라 606 1Al 기반 복합 재질의 실험 미시도를 향상시키고 구성요소의 유한 요소 분석 모델을 만들어 잔여 열 응력이 PRMMCs 변형 및 실패에 미치는 영향을 관찰했습니다. 한 등은 3 차원 다중입자포모형을 이용해 PRMMCs 의 역학 성능과 균열 발생을 연구했다.
복합 미세 구조의 토폴로지 최적화에 관한 연구
구조 토폴로지 최적화는 구조 모양 최적화의 발전이며 레이아웃 최적화의 한 측면입니다. 모양 최적화가 성숙해지면서 구조 토폴로지 최적화의 새로운 개념이 발전하기 시작했고, 이제 토폴로지 최적화는 국제 구조 최적화 분야의 새로운 핫스팟이 되고 있습니다. Roderick Lakes( 1987, 1993) 를 로고로 음의 포아송 비 계수를 가진 폼과 서로 다른 성분의 재질 복합을 통해 단상 재질과 비교할 수 없는 극한 재질 특성 (예: 0 팽창 계수, 0) 을 설명합니다 특히 Sigmund 가 1990 년대 중반에 제기한 것은 현재 재료 연구 분야의 최전선 과제 중 하나가 되었다. 2002 년 제 9 회 AIAA 연례회의에서 Kalidindi 등은' MSD- 마이크로구조에 민감한 설계' 라는 개념을 제시하여 마이크로구조 구성과 최적화된 설계를 구성하는 사상과 체계를 더욱 개선하고 발전시켰다. 이러한 혁신적인 작업은 복합 재질 및 구조의 토폴로지 최적화 설계를 위한 견고한 기반을 마련하고 재질 미세 구조의 최적화된 설계를 더욱 추진합니다.
마이크로구조 셀의 균일화 기술을 통해 복합 재질의 거시적 성능을 얻을 수 있으며, 마이크로구조 셀의 토폴로지 최적화 설계를 통해 음의 포아송 비율, 음의 열 팽창 계수, 제로 전단 성능 및 좋은 압전 특성을 가진 압력 재질과 같은 특성을 가진 복합 재질을 얻을 수 있습니다. 단일 셀의 토폴로지 최적화 설계의 경우 문제는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 구성 계수의 최소 볼륨 비율이 지정된 값과 같은 문제를 충족하는 것입니다. 또 다른 하나는 일련의 볼륨 제약 조건과 대칭 조건을 만족하는 극단적인 물질 상수 문제입니다. Silva 는 균일화 방법을 기반으로 극한 성능을 가진 2D 및 3D 압전 재질의 최적화된 설계를 개발했습니다. 국내에서 원직과 오춘은 극단적인 성능 탄성 소재의 최적화된 설계를 했고, 양위 등은 최적화 기준법으로 특정 성능의 마이크로구조를 설계하여 음의 포아송 비의 재료 설계를 실현했다. 현재 열 전달 성능에 기반한 미세 구조 최적화 설계는 아직 초기 단계에 있습니다. 장 등은 균일화 방법을 기준으로 재질의 열 전달 성능을 예측하고, 주어진 재질 사용량에서 복합 재질을 설계하여 극한의 열 전달 성능을 가진 복합 재질을 얻습니다.
토폴로지 최적화는 크기 최적화와 모양 최적화의 복잡성을 모두 갖추고 있으며 미세 구조의 최종 토폴로지 형식은 알 수 없습니다. 부드러움 최소를 목표로 하는 마이크로구조 토폴로지로 최적화된 벌집 구조는 표준 정육각형 벌집 구조입니다.
셋. 요약
금속 기반 복합 재료는 최근 몇 년 동안 급속히 발전해 온 신형 하이테크 엔지니어링 재료로, 우수한 성능으로 국내외에서 높은 중시를 받고 있다. SiC 입자 강화 알루미늄 매트릭스 복합 재료는 현재 복합 재료 중 가장 눈에 띄는 시스템 중 하나로 이론적으로나 실험적으로나 복합 재료에 이상적인 연구 대상이다. 이 글은 국내외 금속 기반 복합 재료의 효과적인 성능 연구와 미시 구조 토폴로지 최적화를 종합하여 금속 기반 복합 재료의 연구에 어느 정도 의의가 있다.