بررسی ترک زمینه و شکست الیاف در کامپوزیت‌ها با استفاده از هوش مصنوعی و مدل‌های چندمقیاسی

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
روزبه مفیدیان 1
رمضان بابایی 2
پویا پاشایی 3
1 دکتری، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران
3 استادیار دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران
10.22034/stme.2025.516396.1120
چکیده
در دنیای پیشرفته امروز، به‌ویژه در حوزه‌های مهندسی مکانیک و صنایع هوافضا، کامپوزیت‌ها به دلیل ویژگی منحصربه‌فرد استحکام بالا در کنار وزن کم، جایگاه برجسته‌ای یافته‌اند. بااین‌حال، رفتار پیچیده این مواد، تحلیل دقیق و ابزارهای پیشرفته‌ای را برای مدل‌سازی و پیش‌بینی آسیب‌های ساختاری آن‌ها می‌طلبد. پژوهش حاضر با بهره‌گیری از ترکیب مدل‌های چندمقیاسی مزو-ماکرو و مفاهیم مکانیک آسیب پیوسته، رویکردی نوین برای تحلیل و ارزیابی خرابی در ساختارهای کامپوزیتی ارائه می‌کند. این مطالعه از چارچوب مدل‌های چندمقیاسی شبه‌هم‌زمان بهره می‌گیرد که با استفاده از روش‌های پیشرفته شبیه‌سازی المان محدود و ابزارهای پردازش تصویر، امکان تحلیل جامع ترک‌خوردگی زمینه و شکست الیاف را فراهم می‌سازد. افزون بر این، زیربرنامه‌ای مبتنی بر مفاهیم مکانیک خرابی پیوسته در نرم‌افزار المان محدود می‌توان توسعه داد که قادر باشد تکامل آسیب‌ها، از جمله پیشرفت ترک‌ها، شکست الیاف و پیش‌بینی بار نهایی شکست سازه‌های کامپوزیت را به‌صورت پیش‌رونده تحلیل کند. از سوی دیگر، به‌کارگیری روش‌های هوش مصنوعی، به‌ویژه در پردازش تصویر، سبب کاهش زمان و هزینه‌های محاسباتی شده و دقت تحلیل‌های مکانیکی را به طرز چشمگیری افزایش داده است. این رویکردهای چندمقیاسی هوشمند نقشی کلیدی در بهینه‌سازی طراحی و پیش‌بینی دقیق مکانیزم‌های خرابی ایفا می‌کنند. این روش‌ها، به‌ویژه در کاربردهای پیچیده و حساس هوافضایی، ابزارهای مؤثری برای ارتقای عملکرد و قابلیت اطمینان ساختارهای کامپوزیت‌ها به شمار می‌روند.
کلیدواژه‌ها
کامپوزیت ها
ترک زمینه
شکست الیاف
چند مقیاسی شبه هم‌زمان
مکانیک آسیب
هوش مصنوعی
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigating matrix cracking and fiber failure in composites using artificial intelligence and multiscale models

نویسندگان English

Roozbeh Mofidian 1
Ramzan Babaei 2
Pouya Pashaei 3
1 Ph.D, Department of Chemical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran
2 Assistant professor, Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran
3 Assistant professor, Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran
چکیده English

In today's advanced world, especially in the fields of mechanical engineering and aerospace industries, composites have gained a prominent position due to their unique feature of high strength along with low weight. However, the complex behavior of these materials requires accurate analysis and advanced tools for modeling and predicting their structural damage. The present study, by combining meso-macro multiscale models and continuum damage mechanics concepts, presents a new approach for analyzing and evaluating damage in composite structures. This study uses a quasi-simultaneous multiscale modeling framework that enables comprehensive analysis of matrix cracking and fiber failure using advanced finite element simulation methods and image processing tools. In addition, a subroutine based on continuum failure mechanics concepts can be developed in finite element software that is capable of analyzing the damage evolution, including crack progression, fiber failure, and ultimate failure load prediction of composite structures in a progressive manner. On the other hand, the application of artificial intelligence methods, especially in image processing, has reduced computational time and costs and significantly increased the accuracy of mechanical analyses. These intelligent multiscale approaches play a key role in optimizing design and accurately predicting failure mechanisms. These methods are effective tools for improving the performance and reliability of composite structures, especially in complex and sensitive aerospace applications.

کلیدواژه‌ها English

Composite؛ Matrix Cracking؛ Fiber Failure؛ Quasi-simultaneous multiscale
Damage mechanics
Artificial Intelligence

اصل مقاله

[1] R. Mofidian, S. S. Hosseini, M. Miansari, and H. Salmani, Separation and clarification of Mazandaran Wood and Paper Factory effluent to remove heavy metals using zeolite–agar nanoadsorbent immobilized by Cibacron Blue dye ligand, Korean Journal of Chemical Engineering, pp. 1–12, 2024. (in Persian)
[2] M. Jahanshahi, R. Mofidian, S. S. Hosseini, and M. Miansari, Investigation of mechanical properties of granular γ-alumina using experimental nano indentation and nano scratch tests, SN Applied Sciences, vol. 5, no. 6, p. 164, 2023. (in Persian)
[3] B. Abdi, R. Tayebee, E. Rezaei-Seresht, F. M. Zonoz, and R. Mofidian, ZnO/AgSbO₃ as an improved nanophotocatalyst in the synthesis of some naphthopyranopyrimidines, Inorganic Chemistry Communications, p. 113212, 2024. doi: 10.1016/j.inoche.2024.113212
[4] M. Jahanshahi, R. Mofidian, and M. Hakimizadeh, Innovative membrane distillation configurations for enhanced performance: A review, Journal of Engineering and Applied Research, vol. 1, no. 2, pp. 13–27, 2024. (in Persian)
[5] R. Mofidian, A. Barati, M. Jahanshahi, and M. H. Shahavi, Optimization on thermal treatment synthesis of lactoferrin nanoparticles via Taguchi design method, SN Applied Sciences, vol. 1, pp. 1–9, 2019. (in Persian)
[6] R. Mofidian et al., Adsorption of lactoferrin and bovine serum albumin nanoparticles on pellicular two-layer agarose-nickel at reactive blue 4 in affinity chromatography, Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 9, no. 2, p. 105084, 2021. doi: 10.1016/j.jece.2021.105084
[7] R. Mofidian, A. Barati, M. Jahanshahi, and M. H. Shahavi, Generation process and performance evaluation of engineered microsphere agarose adsorbent for application in fluidized-bed systems, International Journal of Engineering, vol. 33, no. 8, pp. 1450–1458, 2020. (in Persian)
[8] J. L. Chaboche and J. F. Maire, A new micromechanics based CDM model and its application to CMC's, Aerospace Science and Technology, vol. 6, no. 2, pp. 131–145, 2002.
[9] D. H. Allen, C. E. Harris, and S. E. Groves, A thermomechanical constitutive theory for elastic composites with distributed damage—II. Application to matrix cracking in laminated composites, International Journal of Solids and Structures, vol. 23, no. 9, pp. 1319–1338, 1987.
[10] E. J. Barbero and L. De Vivo, A constitutive model for elastic damage in fiber-reinforced PMC laminae, International Journal of Damage Mechanics, vol. 10, no. 1, pp. 73–93, 2001. doi: 10.1106/105678901421150
[11] P. Lonetti, R. Zinno, F. Greco, and E. J. Barbero, Interlaminar damage model for polymer matrix composites, Journal of Composite Materials, vol. 37, no. 16, pp. 1485–1504, 2003. doi: 10.1177/00219983030371604
[12] P. P. Camanho, P. Maimí, and C. G. Dávila, Prediction of size effects in notched laminates using continuum damage mechanics, Composites Science and Technology, vol. 67, no. 13, pp. 2715–2727, 2007. doi: 10.1016/j.compscitech.2007.02.005
[13] P. F. Liu and J. Y. Zheng, Progressive failure analysis of carbon fiber/epoxy composite laminates using continuum damage mechanics, Materials Science and Engineering: A, vol. 485, no. 1–2, pp. 711–717, 2008. doi: 10.1016/j.msea.2007.08.073
[14] B. Mohammadi, H. Olia, and H. Hosseini-Toudeshky, Intra and damage analysis of laminated composites using coupled continuum damage mechanics with cohesive interface layer, Composite Structures, vol. 120, pp. 519–530, 2015. doi: 10.1016/j.compstruct.2014.10.031 (in Persian)
[15] J. F. Chen, E. V. Morozov, and K. Shankar, A combined elastoplastic damage model for progressive failure analysis of composite materials and structures, Composite Structures, vol. 94, no. 12, pp. 3478–3489, 2012. doi: 10.1016/j.compstruct.2012.04.021
[16] P. Ladevèze, Modelling and computation until final fracture of laminate composites, in Recent Developments in Durability Analysis of Composite Systems, CRC Press, 2022, pp. 39–47.
[17] L. Daudeville, O. Allix, and P. Ladeveze, Delamination analysis by damage mechanics: some applications, Composites Engineering, vol. 5, no. 1, pp. 17–24, 1995. doi: 10.1016/0961-9526(95)93976-3
[18] A. F. Johnson, A. K. Pickett, and P. Rozycki, Computational methods for predicting impact damage in composite structures, Composites Science and Technology, vol. 61, no. 15, pp. 2183–2192, 2001. doi: 10.1016/S0266-3538(01)00111-7
[19] H. Feng, Q. Xu, T. Lv, and H. Liu, Bimetallic NH₂-MIL-101 (Fe, Co) as highly efficient photocatalyst for nitrogen fixation, Applied Catalysis B: Environment and Energy, vol. 351, p. 123949, 2024. doi: 10.1016/j.apcatb.2024.123949
[20] P. Ladevèze, F. Daghia, E. Abisset, and C. L. Mauff, A micromechanics-based interface mesomodel for virtual testing of laminated composites, Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, vol. 1, pp. 1–16, 2014. doi: 10.1186/s40323-014-0012-2
[21] M. Wang et al., A review of CFD studies on thermal hydraulic analysis of coolant flow through fuel rod bundles in nuclear reactor, Progress in Nuclear Energy, vol. 171, p. 105175, 2024. doi: 10.1016/j.pnucene.2024.105175
[22] F. Wurtzer, P.-A. Boucard, P. Ladevèze, and D. Néron, A flexible decoupled strategy to use model reduction in the context of multiphysics problems, Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, vol. 10, no. 1, p. 1, 2023. doi: 10.1186/s40323-023-00232-3
[23] R. O’Higgins, M. McCarthy, and C. McCarthy, Comparison of open hole tension characteristics of high strength glass and carbon fibre-reinforced composite materials, Composites Science and Technology, vol. 68, pp. 2770–2778, 2008. doi: 10.1016/j.compscitech.2008.06.001
‏
 
 

  • تاریخ دریافت 23 فروردین 1404
  • تاریخ بازنگری 11 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 04 مرداد 1404
  • تاریخ اولین انتشار 04 مرداد 1404
  • تاریخ انتشار 01 تیر 1404