Modellazione del creep di materiali compositi basata su una migliore programmazione dell'espressione genica

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22244 (2022) Citare questo articolo

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In questo articolo viene presentato un nuovo metodo per la modellazione del creep e la previsione delle prestazioni dei materiali compositi. Poiché il modello della legge di potenza di Findley è solitamente adatto per studiare lo scorrimento unidimensionale dipendente dal tempo di materiali sottoposti a basse sollecitazioni, viene utilizzato un metodo di calcolo intelligente per ricavare tre sottofunzioni legate alla temperatura, il modello di scorrimento in funzione del tempo e della temperatura è stabilito. Al fine di accelerare il tasso di convergenza e migliorare l'accuratezza della soluzione, viene proposto un algoritmo migliorato di programmazione dell'espressione genica (IGEP) adottando l'inizializzazione della popolazione basata sulla probabilità e la strategia di selezione della roulette semi-elite. Sulla base dei dati di creep a breve termine a sette temperature, viene sviluppato un modello di creep bivariato con un certo significato fisico. A temperatura fissa, viene acquisito il modello di creep univariato. Le metriche statistiche R2, RMSE, MAE, RRSE vengono utilizzate per verificare la validità del modello sviluppato rispetto ai modelli viscoelastici. Il fattore di spostamento è risolto dall'equazione di Arrhenius. La curva principale del creep è derivata dal modello di sovrapposizione tempo-temperatura e valutata dai modelli Burgers, Findley e HKK. L’R-quadrato del modello IGEP è superiore a 0,98, ovvero migliore rispetto ai modelli classici. Inoltre, il modello viene utilizzato per prevedere i valori di creep a t = 1000 h. Rispetto ai valori sperimentali, gli errori relativi rientrano nel 5,2%. I risultati mostrano che l’algoritmo migliorato può stabilire modelli efficaci che prevedono con precisione le prestazioni di scorrimento a lungo termine dei compositi.

I compositi polimerici rinforzati con fibre, come classe di materiali compositi ampiamente utilizzati, presentano i vantaggi di elevata resistenza e modulo specifici, resistenza alla fatica e alla corrosione, bassa densità, leggerezza, che sono stati applicati nel campo dell'ingegneria civile, aerospaziale, automobilistica e industrie dell'edilizia, ecc.1,2. Nelle applicazioni pratiche, devono avere una lunga durata. Tuttavia, le proprietà viscoelastiche dei materiali fanno sì che le strutture subiscano un comportamento di scorrimento durante il carico a lungo termine, che influisce sulla durabilità e sull’affidabilità dei compositi. Il creep è una deformazione dipendente dal tempo sotto stress costante. I meccanismi di deformazione da creep sono diversi per ciascun materiale, ma il processo di creep può essere generalmente descritto in tre fasi: creep primario (transitorio), secondario (stato stazionario) e terziario (accelerato). Nella fase primaria, la deformazione aumenta rapidamente e la velocità di scorrimento diminuisce nel tempo. Nella fase secondaria la deformazione è quasi uniforme e la velocità di scorrimento rimane costante. Nello stadio terziario, la deformazione e la velocità di scorrimento aumentano rapidamente fino alla rottura del materiale dopo aver subito una deformazione totale in un periodo di tempo3,4. Pertanto, la ricerca modellistica sulle prestazioni di scorrimento viscoso ha un grande significato teorico.

Attualmente, i modelli che descrivono le prestazioni di creep dei compositi possono essere suddivisi in due categorie: il primo tipo è il modello fisico, si basa sul meccanismo di creep del materiale stesso ed è stabilito con l'aiuto della micro/mesomeccanica e della termodinamica. , che comprende principalmente il modello Maxwell, il modello Kelvin, il modello Burgers, il modello Boltzmann e il modello Schapery; il secondo tipo è il modello fenomenologico, è una descrizione matematica del fenomeno del creep, ed è libero dal vincolo delle forme di funzioni fisse e non riflette le proprietà fisiche del creep, che include principalmente il modello di Findley e il modello di sovrapposizione tempo-temperatura. Recentemente, ci sono sempre più studi su questi due tipi di modelli.

Nel modello fisico, Katouzian et al.5 hanno utilizzato il metodo degli elementi finiti per simulare il comportamento di scorrimento dei materiali compositi basato sul modello di Schapery. Rafiee e Mazhari6 hanno sviluppato il modello Boltzmann per ottenere la resistenza residua dei tubi dopo 50 anni per prevedere il comportamento a lungo termine di specifici tubi in GFRP soggetti a pressione interna. Berardi et al.7 hanno effettuato esperimenti di creep su laminati polimerici rinforzati con fibre a temperatura ambiente e hanno stabilito il modello di fibre di Burgers. Jia et al.8 hanno utilizzato il modello di Burgers e la funzione di distribuzione di Weibull per analizzare gli effetti dei nanoriempitivi sulle proprietà di scorrimento e recupero dei compositi polipropilene/nanotubi di carbonio a parete multipla, quindi il comportamento di scorrimento a lungo termine dei materiali è stato previsto in base al tempo-temperatura modello di sovrapposizione. Asyraf et al.9 hanno scoperto che il modello di Burgers era molto pratico per spiegare i comportamenti elastici e viscoelastici delle strutture composite.