Polski   English     
    
Analiza komputerowa i optymalizacja materiałów o złożonych własnościach i mikrostrukturze
Popularyzatorski opis rezultatów projektu
 
  O projekcie
Streszczenie
Opis
Zadania badawcze
Zespół
Publikacje
Stopnie naukowe
Kontakt
 
 
 
 
 
Icon
Celem projektu badawczego było opracowanie nowych metod i programów komputerowych i ich zastosowanie do analizy i optymalizacji materiałów o złożonych własnościach i mikrostrukturze. Opracowano program komputerowy metody elementów brzegowych (MEB) do analizy materiałów z pęknięciami i sztywnymi włóknami o dużej gęstości. Program wymaga podziału na elementy brzegowe wyłącznie powierzchni zewnętrznych materiału, powierzchni pęknięć i włókien. Dzięki temu proste jest przygotowanie danych do programu komputerowego, łatwa ich modyfikacja i jednocześnie wyznaczane przemieszczenia i naprężenia w materiale są bardzo dokładne. Program uwzględnia możliwy kontakt powierzchni pęknięć przy obciążeniu. Opracowano program do losowego generowania pęknięć i włókien w materiale. Programy komputerowe wykorzystano do badania sztywności i odkształcalności materiałów z pęknięciami i włóknami rozmieszczonymi równomiernie lub losowo. Materiały z cienkimi i sztywnymi włóknami mogą stanowić modele kompozytów wzmacnianych nanorurkami. Oryginalnym elementem badań była analiza materiałów z wieloma pęknięciami rozgałęzionymi obciążonymi statycznie i dynamicznie. Badano naciski na powierzchniach pęknięć i wpływ kontaktu na sztywność materiału przy rozciąganiu lub ściskaniu.

Analiza materiałów porowatych i kompozytowych modelowanych jako układy przestrzenne wymaga dużej pamięci komputerowej i czasu obliczeń. Poprawiono znacząco efektywność MEB dla takich modeli komputerowych materiałów, stosując szybką wielobiegunową MEB (SWMEB) i obliczenia równoległe. Opracowane programy wykorzystano do analizy stanu naprężenia i sztywności materiałów z porami sferycznymi i wtrąceniami kulistymi, które były rozmieszczone równomiernie lub losowo. Rozpatrywano różne udziały objętościowe pustek i wtrąceń oraz różne własności materiałowe.

Opracowano programy komputerowe do analizy własności fizycznych materiałów magnetoelektrospreżystych, w których występuje sprzężenie pól mechanicznych i elektromagnetycznych, a także ich własności zależą od orientacji składników materiałów. Szczególnymi przypadkami rozpatrywanych materiałów są kompozyty zawierające fazy piezoelektryczne i piezomagnetyczne. Badano wrażliwość własności kompozytów magnetoelektrosprężystych na szczególne własności składników materiału. Określono prędkość propagacji fal akustyczno-elektromagnetycznych w materiałach. Wyniki wyznaczone opracowanymi programami komputerowymi porównano z rozwiązaniami analitycznymi i obliczonymi za pomocą programów wykorzystujących inne metody komputerowe. Porównania wykazały bardzo wysoką dokładność wyników obliczeń i efektywność metod. Opracowano program komputerowy optymalizacji zwany sztucznym systemem immunologicznym (SSI), który powstał w oparciu o zjawiska zachodzące w naturalnym systemie immunologicznym. Metoda charakteryzuje się prostotą zastosowania i pozwala na wyznaczenie rozwiązania optymalnego z dużym prawdopodobieństwem. Poszukiwano optymalnych kształtów pustek za pomocą opracowanych metod SWMEB i SSI, żeby otrzymać materiał o pożądanych własnościach sprężystych. Optymalizowano własności kompozytu magnetoelektrosprężystego poprzez dobór udziału objętościowego, kształtu i orientacji wtrąceń za pomocą metody gradientowej. Wyniki obliczeń porównano z uzyskanymi za pomocą SSI. Poszukiwano rozkładu materiałów zapewniającego odpowiednią podatność. Optymalizowano długości, orientację i rozmieszczenie sztywnych włókien w celu otrzymania materiału o maksymalnej sztywności lub podatności. Opracowane programy komputerowe można zastosować praktycznie w analizie własności fizycznych materiałów inżynierskich na poziomie mikroskopowym oraz projektowaniu nowych materiałów. Wyznaczone wielkości zastępcze mogą być wykorzystane do modelowania układu odkształcalnego jako ośrodka ciągłego i jednorodnego w skali makroskopowej. Prowadzenie badań w tym obszarze jest ważne, ponieważ nowoczesne materiały inżynierskie są wykorzystywane w intensywnie rozwijających się gałęziach przemysłu, np. samochodowym, lotniczym, kosmicznym.

Wyniki badań przedstawiono w 3 monografiach, 11 artykułach złożonych lub opublikowanych w czasopismach, 9 obszernych publikacjach pokonferencyjnych i 20 referatach na konferencjach krajowych i zagranicznych. Opracowano ogólnodostępną stronę internetową przedstawiającą informacje o projekcie badawczym. Realizacja badań przyczyniła się do uzyskania przez kierownika projektu tytułu naukowego profesora nauk technicznych, dwóch wykonawców uzyskało stopnie doktora habilitowanego nauk technicznych i wszczęto przewód doktorski doktorantowi - stypendyście projektu.