複合材料は、マイクロメカニカル スケールでは本質的に異方性で不均一であり、その微細構造が製造と性能の間の架け橋となります。性能とその変動性の予測には、微細構造のモデル化が必要です。
したがって、運用環境に応じて新しい複合材料システムの設計サイクル時間を最小限に抑えるには、正確な均質化技術が不可欠になります。ただし、不均一な微細構造は、下の図に示すように、製造プロセス中に繊維とマトリックスの界面に沿ってマトリックスの亀裂や剥離が発生する可能性があります。
均質化は、材料の不均一性を持つ構造を、均質な材料を持つ構成的に同等の構造に変換します。下の図に示すように、単位セル (UC) アプローチを使用して、特徴的な変形に対する UC サイズの小さな比率が存在する場合の周期性の仮定の下で、有効な特性を決定するために異種材料を均質化することができます。
多くの既存の均質化技術は、微細構造のトポロジーと構成材料の特性を考慮しながら、効果的な材料特性の正確な予測につながります。ただし、マトリックスの亀裂と空隙、および界面の亀裂の存在による応力場の特異な性質により、有効特性に対する欠陥の影響を捉えるには適していません。したがって、複合材料の進行性破損解析に不可欠な損傷を把握できません。
2000 年にサンディア国立研究所の Silling によって導入された非局所連続体アプローチである Peridynamics (PD) は、下の図に示すように、物質点間の PD 結合を単純に削除することでこの制限を回避します。これは、任意の形状と数の補強材、ボイド、およびクラックを含む、材料および幾何学的な不連続性を伴う構造のモデリングに非常に適しています。また、PD により、制約条件なしで自然な方法で周期境界条件を適用できます。さらに、PD は、既存のモデルに欠けている内部長さパラメーターが、マルチスケールの材料モデリング機能を提供するという考えを導入します。
2017 年にアリゾナ大学の Madenci によって導入された PD ユニット セルは、ミクロ構造レベルとマクロ構造レベルを結合する複数の長さスケールで、欠陥とボイドが存在する場合の複雑な不均一構造の効果的な熱弾性特性を推定します。既存の単位セルとは異なり、損傷テンソルも提供するため、ミクロ スケールとマクロ スケールの解析の間で情報を転送できます。この機能は、有効な特性の正確な予測を提供するだけでなく、UC 内の局所的な変位、応力、およびひずみ場の回復も可能にします。これは、さらなる分析に必要になる場合があります。したがって、実行可能な進行性の故障予測機能につながります。
これは、損傷の開始/伝播および損傷テンソル用のマルチスケール PD 解析ツールの一部であり、極端な環境で複雑な負荷の下で物理学に基づいた進行性破損解析を実行するために、欠陥の有無にかかわらず微細構造アーキテクチャを含めます。このツールは、特徴的な構造スケールと一致する管理スケールでの失敗の性質を説明します。
単一の計算フレームワークの下で、マクロ、メソ、およびミクロ スケールの分析を統合します。これは、繰り返し荷重下での寿命と余寿命の予測を実行するための基本的な基盤を提供し、材料特性の変動性と製造上の欠陥を含みます。 PD UC は、効果的な材料および物理特性のために、市販の有限要素プログラムに容易に実装できます。この研究により、設計および製造技術者は材料界面特性をよりよく理解できるようになります。
これらの調査結果は、Composite Structures 誌に最近掲載された「欠陥のある不均一な微細構造の熱弾性特性に対するペリダイナミック ユニット セルの均質化」というタイトルの記事に記載されています。 この作業は、アリゾナ大学の E. マデンチ、グローバル エンジニアリング リサーチ アンド テクノロジーの A. バルート、および米国海軍航空システム コマンドの N. ファンによって実施されました。
