VedecDr.-Ing Michael Wünsche
Názov projektuMultiškálové modelovanie vrstevnatých, vláknami vystužených a poréznych magnetoelektrických materiálov
Hostiteľská organizáciaÚstav stavebníctva a architektúry SAV
Dĺžka projektu01.09.2015 - 31.08.2017

Abstrakt
Inteligentné materiály umožňujú interakcie viacerých fyzikálnych polí a majú isté špecifické prednosti oproti bežne používaným kovovým materiálom. Piezoelektrické/piezomagnetické materiály majú kľúčovú úlohu v inteligentných konštrukciách pre ich schopnosť premieňať elektrickú/magnetickú energiu na mechanickú energiu a naopak. Piezoelektrické/piezomagnetické materiály sú veľmi krehké a preto v nich často vznikajú mikrotrhliny a dutiny. Najčastejším spôsobom porušenia vo vrstevnatých alebo vláknami vystužených kompozitoch sú práve trhliny na rozhraní alebo delaminácia. Numerická simulácia inteligentných kompozitov s uvažovaním viacerých fyzikálnych polí je veľmi potrebná pre návrh, optimalizáciu a posúdenie bezpečnosti takýchto konštrukcií. Multiškálové modelovanie ponúka účinný nástroj na posúdenie interakcií medzi mikroštruktúrou materiálu a skutočnou makroštruktúrou konštrukcie. Riešenie všeobecných okrajových úloh pre viazané viacpoľové problémy si vyžaduje efektívne numerické metódy kvôli veľkej matematickej náročnosti na mikroštrukturálnej ako aj makroštrukturálnej úrovni. Na mikroštrukturálnej úrovni je výpočet efektívnych materiálových vlastností vykonaný na reprezentatívnom objemovom prvku (RVE), zatiaľ čo na makroskopickej úrovni sa uvažuje už s celou konštrukciou aj s predpísanými okrajovými podmienkami. Galerkinova metóda hraničných prvkov (GBEM) bude v projekte rozpracovaná na riešenie okrajových úloh pre obe úrovne multiškálového modelovania. Metóda GBEM bude uvažvaná všeobecne, bez obmedzení na použitú geometriu alebo okrajové podmienky. Budú sa analyzovať úlohy pre vrstevnaté, vláknami vystužené a porézne kompozity s mikro- a makro-trhlinami všeobecného tvaru. Na určenie efektívnych materiálových vlastností sa bude uvažovať s mechanickým, elektrickým a magnetickým zaťažením. Pri komplexných numerických analýzach sa bude analyzovať vplyv usporiadania vrstiev, vláken, pórov a mikrotrhlín na efektívne materiálové vlastnosti a následne sa celá konštruckcia rieši s efektívnými materiálovými koeficientami.

Zhrnutie projektu s priebežnými výsledkami

Piezoelektrické a piezomagnetické materiály vzhľadom na ich schopnosť premeniť eletrickú energiu na mechanickú a naopak hrajú dôležitú rolu v inteligentných konštrukciách. Vyšetrovanie efektívnych piezoelektrických a piezomagnetických vlastností kompozitných materiálov vystužených vláknami ako aj poréznych materiálov s mikrotrhlinami má veľký vedecký ako aj inžinerský význam. Multiškálové modelovanie ponúka výkonný spôsob bádania interakcií medzi mikroštruktúrou a reálnou makroskopickou štruktúrou. Vzhľadom na matematickú zložitosť , na riešenie všeobecnej okrajovej úlohy pre zviazané problémy polí na mikroskopickej ako aj na makroskopickej úrovni potrebujeme efektívne pokročilé numerické metódy.

 

V prvom roku projektu Galerkinova metóda hraničných prvkov (MHP) bola úspešne rozpracovaná na modelovanie dvojrozmerných piezoelektrických a magneto-elektro-elastických reprezentatívnych objemových elementov s pórmi a vláknami ľubovoľného tvaru na mikroštrukturálnej úrovni. Pre modelovanie makroštruktúry tiež bola používana Galerkinova MHP. Už existujúca symetrická Galerkinova MHP pre časovú oblasť bola rozšírená aj pre časovo-harmonické úlohy. Pre tento účel bola vyvinutá efektívna, symetrická Galerkinova MHP pre frekvenčnú oblasť. Celý algoritmus riešenia je všeobecný bez obmedzneia na geometriu, konfiguráciu vlákna a matrice, rozloženie pórov a okrajových podmienok.

 

Program pre numerickú simuláciu modulárnej MHD sústavy bol vyvinutý v prostredí Fortran2008. Program umožňuje systematické rozšírenie pre ďalšie vedecké aktivity v budúcnosti. Špeciálne rozhrania sú zahrnuté pre používanie vonkajších pre- a postprocesorov, aby sme dosiahli vysokú úroveň použiteľnosti.

 

Intenzívne, numerické parametricke štúdie boli vykonané na analýzu inteligentných kompozitov s pasívnymi pružnými materiálmi ako matrica a piezoelektrickými keramikami alebo polymérmi ako aktívne vlákna. Ďalej bol aj študovaný vplyv pórov na efektívne vlastnosti magneto-elektro-elastických materiálov. Vzhľadom na to, že inteligentné kompozity sú aplikované hlavne pod účinkom dynamického zaťaženia, vplyvy vlákien, pórov a mikrotrhlín na faktory intenzity napätia a rozpltýlených vlnových polí boli tiež uvažované.

Získané výsledky ukazujú výrazný vplyv vlákien, kombinácie materiálov a možných pórov na efektívne materiálové vlastnosti a dynamické správanie sa reálnych konštrukcií. Dospelo sa k záveru, že kontrolovaná variácia vlákien vedie k výraznému nárastu efektov piezoelektrickej/piezomagnetickej viazanosti. Získané výsledky môžu byť používané pri návrhu a optimalizácii pokročilého spravania sa materiálu, aby vyhovoval vysoko-výkonným požiadavkam v prevádzke. Póry vo všeobecnosti spôsobia klesajúcu tendenciu parametrov viazanosti, avšak špeciálne materiálové parametre môžu byť kladne ovplyvnené vhodnou voľbou počtu a veľkosti pórov. Podľa očakávania , póry a vlákna majú výrazný vplyv na rozptýlených vlnových polí. Hoci vlákna zvyšujú tuhosť materiálu, mikrotrhliny môžu viesť k vyšším faktorom intenzity napätia a k zložitejšiemu správaniu zlyhania materiálu na rozdiel od homogénnych materiálov, ktroré sú hlavne vyvolané dynamickými účinkami.

 

Získané výsleky sú veľmi dobrým základom ďalšieho plánovaného vývoja v druhom roku projektu.