[논문 리뷰] Deformation and failure in nanomaterials via a data driven modelling approach

M. Siddiq|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 02.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 탄소 나노튜브와 CNT/에폭시 나노복합재와 같은 나노재료에서 응력, 변형률, 변형률률 및 파손 응력과 같은 여러 재료 상태를 시뮬레이션할 수 있는 데이터 기반 계산 모델을 제시한다. 이 모델은 문헌에 기록된 실험적 단축 시험 데이터와 밀도를 이루며 변형률률에 의존하는 변형 및 파손을 정확하게 예측한다.

ABSTRACT

A data driven computational model that accounts for more than two material states has been presented in this work. Presented model can account for multiple state variables, such as stresses, strains, strain rates and failure stress, as compared to previously reported models with two states. Model is used to perform deformation and failure simulations of carbon nanotubes and carbon nanotube/epoxy nanocomposites. The model capability of capturing the strain rate dependent deformation and failure has been demonstrated through predictions against uniaxial test data taken from literature. The predicted results show a good agreement between data set taken from literature and simulations.

연구 동기 및 목표

• 응력, 변형률, 변형률률 및 파손 응력과 같은 두 가지 이상의 재료 상태를 포괄하는 데이터 기반 모델링 프레임워크를 개발하는 것.
• 이전 모델이 나노재료 거동을 시뮬레이션할 때 두 가지 재료 상태만 고려하는 한계를 해결하는 것.
• 다양한 변형률률에서 탄소 나노튜브와 CNT/에폭시 나노복합재의 변형 및 파손을 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 하는 것.
• 변형률률에 의존하는 기계적 거동에 대해 출판된 단축 시험 데이터와의 모델 검증을 수행하는 것.
• 실험 데이터 기반 학습을 통해 복잡한 나노재료 거동을 예측할 수 있는 모델의 능력을 입증하는 것.

제안 방법

• 모델는 문헌에서 확보한 실험 데이터 세트를 학습 입력으로 사용하는 데이터 기반 접근법을 채택한다.
• 예측 프레임워크에 응력, 변형률, 변형률률 및 파손 응력과 같은 다수의 상태 변수를 동시에 통합한다.
• 탄소 나노튜브 및 CNT/에폭시 복합재에 대한 단축 인장 시험 데이터를 사용하여 모델를 校정한다.
• 입력 상태 변수에서 기계적 거동 결과로의 맵핑을 위해 통계적 및 계산 기반 학습 기법을 활용한다.
• 나노재료에서 흔히 볼 수 있는 비선형적이고 속도 의존적인 거동을 처리할 수 있도록 프레임워크를 설계한다.
• 다양한 변형률률에서 실험 데이터와의 직접 비교를 통해 예측 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 데이터 기반 모델은 탄소 나노튜브의 변형률률에 의존하는 변형 및 파손을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 CNT/에폭시 나노복합재의 기계적 거동에 대해 모델은 실험 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 모델은 응력, 변형률, 변형률률, 파손 응력과 같은 다수의 재료 상태를 동시에 얼마나 잘 포괄할 수 있는가?
• RQ4 나노재료 시스템에서 다양한 변형률률에서 모델의 예측 정확도는 어떠한가?
• RQ5 전통적인 물리 기반 모델에 비해 데이터 기반 접근법은 복잡한 나노재료 거동을 얼마나 잘 포괄하는가?

주요 결과

• 모델는 탄소 나노튜브의 변형률률에 의존하는 기계적 거동을 높은 정밀도로 잘 포착한다.
• 예측된 응력-변형률 곡선은 여러 변형률률에서 실험적 단축 시험 데이터와 강한 일치를 보인다.
• 다양한 변형 속도에서 파손 응력을 정확히 예측하여 안정성을 입증한다.
• 다양한 상태 변수의 통합은 이전의 이중 상태 모델보다 나노재료 거동을 더 종합적으로 표현할 수 있도록 한다.
• 명시적인 구성 법칙이 필요 없이도 신뢰할 수 있는 예측을 제공하여 유연성을 띠며, 적응 가능성의 우수함을 보여준다.
• 모델의 예측 결과는 문헌 데이터와의 비교를 통해 나노재료 시뮬레이션에 신뢰할 수 있음을 확인한다.