Polski   English     
    
Analiza komputerowa i optymalizacja materiałów o złożonych własnościach i mikrostrukturze
Streszczenie projektu
 
  O projekcie
Streszczenie
Opis
Zadania badawcze
Zespół
Publikacje
Stopnie naukowe
Kontakt
 
 
 
 
 
Icon

1.Cel prowadzonych badań/hipoteza badawcza
Celem projektu badawczego jest opracowanie nowych metod, algorytmów i programów komputerowych służących do modelowania i analizy mikrostruktur o złożonych własnościach materiałowych i cechach geometrycznych. Planowana jest analiza układów o dużej gęstości pęknięć, które przecinają się lub rozgałęziają. W takich układach może zachodzić kontakt powierzchni pęknięć, który zostanie uwzględniony w analizie. Będą analizowane materiały porowate i kompozytowe, zawierające bardzo dużą liczbę pustek lub wtrąceń, które będą modelowane jako sztywne lub odkształcalne. Wśród analizowanych materiałów będą nanokompozyty i materiały inteligentne, w których występuje zjawisko sprzężenia pól mechanicznych i elektromagnetycznych. Przykładami takich materiałów są kompozyty, których osnowa lub wtrącenia to materiały piezoelektryczne, piezomagnetyczne lub piezo- czy magnetostrykcyjne. Kolejnym celem projektu jest poszukiwanie własności zastępczych materiałów o złożonej mikrostrukturze. Wielkości zastępcze mogą być wykorzystane do modelowania układu odkształcalnego jako ośrodka ciągłego i jednorodnego w skali makro. Ostatnim zadaniem badawczym będzie optymalizacja materiałów kompozytowych w celu np. zwiększenia wytrzymałości, sztywności, współczynnika sprzężenia elektromechanicznego, itp. Zmiennymi projektowymi będą wielkość, kształt i położenie wtrąceń, a także własności materiałowe kompozytu. Na geometrię mikrostruktury i jej własności będą nałożone ograniczenia.

2.Zastosowana metoda badawcza/metodyka
W celu analizy mikrostruktur o złożonej geometrii i własnościach materiałowych zostanie wykorzystana metoda elementów brzegowych (MEB) lub jej wariant - szybka wielobiegunowa metoda elementów brzegowych (SWMEB), którą stosuje się do analizy układów o bardzo dużej liczby stopni swobody. Najważniejsza zaleta MEB polega na tym, że wiele zagadnień można rozwiązać w wyniku dyskretyzacji tylko wielkości brzegowych. Dzięki temu, że węzły położone są na brzegu, łatwe jest przygotowanie danych i ich modyfikacja. Jest to szczególnie ważne w przypadku analizowania wpływu różnych struktur materiału na jego własności fizyczne. Zazwyczaj rozwiązania otrzymywane za pomocą MEB są bardzo dokładne, szczególnie w zagadnieniach z dużymi gradientami naprężeń, które występują w materiale na poziomie mikroskopowym. Własności zastępcze materiałów będą określone metodami klasycznymi mikromechaniki oraz w wyniku analizy komputerowej reprezentatywnego elementu objętościowego (RVE), który jest fragmentem obszaru analizowanego materiału. Na brzegu elementu zadaje się warunki w postaci równomiernych przemieszczeń lub sił powierzchniowych, albo tzw. warunki periodyczne. Na podstawie wyników analizy wyznacza się średnie składowe tensora naprężeń lub odkształceń elementu, co przy znajomości zadanych wielkości brzegowych i równania konstytutywnego pozwala na określenie zastępczych stałych materiałowych. Zadania optymalizacji będą rozwiązane za pomocą metod sztucznej inteligencji, np. algorytmów ewolucyjnych, sztucznych systemów immunologicznych, metod poszukiwań harmonicznych, itp. W przeciwieństwie do metod gradientowych optymalizacji, które wymagają znajomości wrażliwości funkcji celu, w proponowanych metodach wykorzystuje się tylko wartości funkcji kryterialnej. Metody charakteryzują się prostotą zastosowania i pozwalają na wyznaczenie rozwiązania optymalnego z większym prawdopodobieństwem niż metody gradientowe.

3.Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa
Obecnie projektowanie nowych materiałów o złożonej budowie mikrostrukturalnej jest przedmiotem intensywnych badań nauk podstawowych i stosowanych z różnych dziedzin, jak inżynieria materiałowa, mechanika, fizyka, optoelektronika itp. Oprócz poszukiwania metod projektowania i wytwarzania tych materiałów, intensywnie rozwijane są metody ich badania, modelowania i analizy. W ramach projektu badawczego planuje się opracowanie zaawansowanych metod komputerowych analizy nowoczesnych materiałów inżynierskich, takich jak materiały inteligentne, kompozyty i nanokompozyty. Opracowane programy komputerowe mogą być wykorzystane praktycznie w analizie własności fizycznych materiałów inżynierskich na poziomie mikroskopowym oraz projektowaniu nowych materiałów. Jest to ważne, ponieważ nowoczesne materiały inżynierskie są wykorzystywane w intensywnie rozwijających się gałęziach przemysłu, np. samochodowym, lotniczym, kosmicznym. Według autorów wniosku proponowana tematyka badawcza jest ważna ze względów naukowych, poznawczych i praktycznych, a także jest zgodna z kierunkami rozwoju badań naukowych w świecie.