Моделирование ползучести композитных материалов на основе улучшенного программирования экспрессии генов

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 22244 (2022) Цитировать эту статью

866 Доступов

Подробности о метриках

В этой статье представлен новый метод моделирования ползучести и прогнозирования характеристик композитных материалов. Поскольку степенная модель Финдли обычно подходит для изучения одномерной зависящей от времени ползучести материалов под низким напряжением, используется интеллектуальный вычислительный метод для получения трех подфункций, связанных с температурой: модель ползучести как функция времени и температуры. Установлено. Чтобы ускорить скорость сходимости и повысить точность решения, предлагается улучшенный алгоритм программирования экспрессии генов (IGEP), использующий вероятностную инициализацию популяции и стратегию выбора полуэлитной рулетки. На основе данных о кратковременной ползучести при семи температурах разработана двумерная модель ползучести, имеющая определенное физическое значение. При фиксированной температуре получается одномерная модель ползучести. Статистические метрики R2, RMSE, MAE, RRSE используются для проверки достоверности разработанной модели путем сравнения с вязкоупругими моделями. Коэффициент сдвига определяется уравнением Аррениуса. Основная кривая ползучести получена на основе модели суперпозиции время-температура и оценена с помощью моделей Бюргерса, Финдли и ХКК. R-квадрат модели IGEP выше 0,98, что лучше, чем у классических моделей. Кроме того, модель используется для прогнозирования значений ползучести при t = 1000 ч. По сравнению с экспериментальными значениями относительные погрешности находятся в пределах 5,2%. Результаты показывают, что улучшенный алгоритм может создавать эффективные модели, которые точно прогнозируют характеристики долговременной ползучести композитов.

Армированные волокном полимерные композиты, как класс широко используемых композиционных материалов, обладают преимуществами высокой удельной прочности и модуля, усталостной и коррозионной стойкости, низкой плотности, легкого веса, которые нашли применение в области гражданского строительства, аэрокосмической, автомобильной и автомобильной промышленности. строительная отрасль и т.д.1,2. В практическом применении они должны иметь длительный срок службы. Однако вязкоупругие свойства материалов приводят к ползучести конструкций при длительной нагрузке, что влияет на долговечность и надежность композитов. Ползучесть – это деформация, зависящая от времени, под постоянным напряжением. Механизмы деформации ползучести различны для каждого материала, но в целом процесс ползучести можно описать как включающий три стадии: первичную (переходную), вторичную (стационарную) и третичную (ускоренную) ползучесть. На первичной стадии деформация быстро увеличивается, а скорость ползучести со временем снижается. На вторичной стадии деформация практически равномерна, а скорость ползучести остается постоянной. На третичной стадии скорость деформации и ползучести быстро увеличивается, пока материал не разрушается после полной деформации в течение определенного периода времени3,4. Поэтому моделирование характеристик ползучести имеет большое теоретическое значение.

В настоящее время модели, описывающие ползучесть композитов, можно разделить на две категории: первый тип - физическая модель, она основана на механизме ползучести самого материала и устанавливается с помощью микро/мезомеханики и термодинамики. , которая в основном включает модель Максвелла, модель Кельвина, модель Бюргерса, модель Больцмана и модель Шапери; второй тип - это феноменологическая модель, которая представляет собой математическое описание явления ползучести, свободна от ограничений фиксированной формы функции и не отражает физические свойства ползучести, которая в основном включает модель Финдли и модель суперпозиции время-температура. В последнее время появляется все больше исследований этих двух типов моделей.

В физической модели Катузян и др.5 использовали метод конечных элементов для моделирования поведения ползучести композитных материалов на основе модели Шапери. Рафи и Мажари6 разработали модель Больцмана для получения остаточной прочности труб через 50 лет для прогнозирования долгосрочного поведения конкретных труб из стеклопластика, подвергающихся внутреннему давлению. Берарди и др.7 провели эксперименты по ползучести армированных волокном полимерных ламинатов при комнатной температуре и установили модель волокон Бюргерса. Цзя и др.8 использовали модель Бюргерса и функцию распределения Вейбулла для анализа влияния нанонаполнителей на свойства ползучести и восстановления композитов полипропилен/многостенные углеродные нанотрубки, а затем поведение долговременной ползучести материалов было предсказано с помощью зависимости времени от температуры. суперпозиционная модель. Асыраф и др.9 обнаружили, что модель Бюргерса очень практична для объяснения упругого и вязкоупругого поведения композитных структур.