Modelagem de fluência de materiais compósitos baseada em programação aprimorada de expressão gênica

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22244 (2022) Citar este artigo

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Neste artigo, é apresentado um novo método para modelagem de fluência e previsão de desempenho de materiais compósitos. Como o modelo de lei de potência de Findley é geralmente adequado para estudar a fluência unidimensional dependente do tempo de materiais sob baixa tensão, um método de computação inteligente é utilizado para derivar três subfunções relacionadas à temperatura, o modelo de fluência em função do tempo e da temperatura está estabelecido. A fim de acelerar a taxa de convergência e melhorar a precisão da solução, um algoritmo aprimorado de programação de expressão genética (IGEP) é proposto, adotando a inicialização da população baseada em probabilidade e a estratégia de seleção de roleta semi-elite. Com base em dados de fluência de curto prazo em sete temperaturas, é desenvolvido um modelo de fluência bivariado com certa significância física. A temperatura fixa, o modelo de fluência univariado é adquirido. As métricas estatísticas R2, RMSE, MAE, RRSE são utilizadas para verificar a validade do modelo desenvolvido por comparação com modelos viscoelásticos. O fator de deslocamento é resolvido pela equação de Arrhenius. A curva mestre de fluência é derivada do modelo de superposição tempo-temperatura e avaliada pelos modelos de Burgers, Findley e HKK. O R-quadrado do modelo IGEP está acima de 0,98, o que é melhor que os modelos clássicos. Além disso, o modelo é utilizado para prever valores de fluência em t = 1000 h. Comparados com valores experimentais, os erros relativos estão dentro de 5,2%. Os resultados mostram que o algoritmo aprimorado pode estabelecer modelos eficazes que prevêem com precisão o desempenho de fluência a longo prazo dos compósitos.

Os compósitos poliméricos reforçados com fibra, como uma classe de materiais compósitos amplamente utilizados, têm as vantagens de alta resistência e módulo específico, resistência à fadiga e corrosão, baixa densidade, peso leve, que têm sido aplicados nas áreas de engenharia civil, aeroespacial, automotiva e indústrias de construção, etc.1,2. Em aplicações práticas, precisam ter uma longa vida útil. No entanto, as propriedades viscoelásticas dos materiais fazem com que as estruturas sofram um comportamento de fluência durante o suporte de carga a longo prazo, o que afecta a durabilidade e fiabilidade dos compósitos. A fluência é uma deformação dependente do tempo sob tensão constante. Os mecanismos de deformação por fluência são diferentes para cada material, mas o processo de fluência pode ser geralmente descrito como incluindo três estágios: fluência primária (transitória), secundária (estado estacionário) e terciária (acelerada). No estágio primário, a deformação aumenta rapidamente e a taxa de fluência diminui com o tempo. No estágio secundário, a deformação é quase uniforme e a taxa de fluência permanece constante. No estágio terciário, a deformação e a taxa de fluência aumentam rapidamente até que o material se rompa após sofrer uma deformação total dentro de um período de tempo3,4. Portanto, a pesquisa de modelagem sobre o desempenho da fluência tem grande significado teórico.

Atualmente, os modelos que descrevem o desempenho da fluência dos compósitos podem ser divididos em duas categorias: o primeiro tipo é o modelo físico, é baseado no mecanismo de fluência do próprio material e é estabelecido com a ajuda da micro/mesomecânica e da termodinâmica. , que inclui principalmente o modelo Maxwell, o modelo Kelvin, o modelo Burgers, o modelo Boltzmann e o modelo Schapery; o segundo tipo é o modelo fenomenológico, é uma descrição matemática do fenômeno de fluência, está livre da restrição de formas de função fixa e não reflete as propriedades físicas da fluência, que inclui principalmente o modelo de Findley e o modelo de superposição tempo-temperatura. Recentemente, há cada vez mais estudos sobre esses dois tipos de modelos.

No modelo físico, Katouzian et al.5 utilizaram o método dos elementos finitos para simular o comportamento de fluência de materiais compósitos com base no modelo de Schapery. Rafiee e Mazhari6 desenvolveram o modelo de Boltzmann para obter resistência residual de tubos após 50 anos para prever o comportamento a longo prazo de tubos específicos de GFRP submetidos à pressão interna. Berardi et al.7 realizaram experimentos de fluência de laminados poliméricos reforçados com fibras à temperatura ambiente e estabeleceram o modelo de Burgers para fibras. Jia et al.8 empregaram o modelo de Burgers e a função de distribuição de Weibull para analisar os efeitos de nano-cargas nas propriedades de fluência e recuperação de compósitos de polipropileno/nanotubos de carbono de paredes múltiplas e, em seguida, o comportamento de fluência de longo prazo dos materiais foi previsto pelo tempo-temperatura modelo de superposição. Asyraf et al.9 descobriram que o modelo de Burgers era muito prático para explicar os comportamentos elástico e viscoelástico de estruturas compostas.