보고서 정보
주관연구기관 |
울산과학기술대학교 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2014-09 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201500004206 |
과제고유번호 |
1711002058 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2015-05-30
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키워드 |
멀티스케일.지능재료.시스템 설계.형상기억합금.제일원리.분자동역학.상장 모델.다결정 유한요소.연속체역학.Multiscale.Intelligent Materials.Systems Design.Shape Memory Alloys.First Principles.Molecular Dynamics.Phase Field Model.Polycrystal Finite Element.Continuum Mechanics.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201500004206 |
초록
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연구의 목적 및 내용
서로 다른 전산해석기법들을 융합하여 양자-원자-마이크로-메조-연속체를 아우르는 멀티스케일 설계 기술을 개발하고, 지능재료시스템에 적용한다. 미시스케일의 상변이 기작 규명부터, 마이크로 수준의 결정립 간 상호작용, 상분포 변화, 복잡한 하중 및 온도조건하에서의 지능재료 시스템의 거시적 거동에 이르기까지, 다양한 스케일의 역학적 변화에 대해, 효율적으로 기술할 수 있는 새로운 통섭형 해석 기법을 확립한다. 더 나아가, 지능재료 시스템의 형상 뿐 아니라 재료의 조성비, 결정립의 크기 등 기존의 해석 기법으로는
연구의 목적 및 내용
서로 다른 전산해석기법들을 융합하여 양자-원자-마이크로-메조-연속체를 아우르는 멀티스케일 설계 기술을 개발하고, 지능재료시스템에 적용한다. 미시스케일의 상변이 기작 규명부터, 마이크로 수준의 결정립 간 상호작용, 상분포 변화, 복잡한 하중 및 온도조건하에서의 지능재료 시스템의 거시적 거동에 이르기까지, 다양한 스케일의 역학적 변화에 대해, 효율적으로 기술할 수 있는 새로운 통섭형 해석 기법을 확립한다. 더 나아가, 지능재료 시스템의 형상 뿐 아니라 재료의 조성비, 결정립의 크기 등 기존의 해석 기법으로는 고려할 수 없었던 설계변수를 추출하고, 대표적인 설계변수들에 대한 민감도 해석을 수행함으로써, 멀티스케일 설계 기반 기술을 제시한다. 본 연구의 설계 기술은, 상변이 기작 등 나노/마이크로 스케일의 복잡한 변화 뿐 아니라 이들이 집합적 표현으로서 거시적 거동까지, 정확하고 효율적으로 해석 및 설계할 수 있다는 점에서, 유용성과 독창성이 있다.
연구결과
형상기억합금의 복합거동을 정확히 해석하기 위하여, 각 스케일별 장점을 갖는 해석 영역을 구분하고 각 스케일별 해석 모델을 개발하였다. 제일원리계산은 결정의 구조, 결합에너지, 물질상수 계산을 수행하고 하중에 의한 상변화의 응력조건을 구하였다. 분자동역학에서는 새로운 포텐셜을 개발하고 그에 의거하여 온도장에 의한 상변화 및 응력에 따른 초탄성 거동을 해석하였다. 더 나아가 상장이론에 필요한 화학적 자유에너지, 상변화를 위한 에너지 장벽, 온도 변화에 따른 물질상수 등을 계산하였다. 상장모델에서는 형상기억합금의 조성에 따른 서로 다른 역학 거동을 해석하고 이에 온도장 및 응력장이 미치는 영향을 분석하였다. 또한 상 계면에서의 결정립계의 성장 및 이동 기작을 분석하였다. 상장모델의 결과에 기초하여 다결정 유한요소 기법에서는 많은 결정립을 갖는 형상기억합금에 대해 조성 및 분포에 따른 역학적 거동의 변화, 소성 발생 및 쌍정 형성 및 변화 등 복잡한 역학적 정보를 분석하였다. 각 스케일에서 개발된 모델 및 생성 정보들은 하나의 프래임 안에서 쌍방항 정보흐름을 가질 수 있도록 멀티스케일 해석 기법을 개발하였으며, 이는 형상기억합금의 온도장 및 응력장의 변화에 따른 상변환 문제와 주어진 온도하에서 응력 변화에 따른 초탄성 거동해석을 통해 그 유용성과 정확성이 검토되었다. 더 나아가 가속기를 이용한 회절 실험과 압입실험의 결과와 비교함으로써 본 연구에서 개발된 멀티스케일 해석 기법의 타당성을 검증하였다. 마지막으로 개발된 멀티스케일 기법을 이용하여 다양한 하중, 온도, 조성에 따른 형상기억합금의 독특한 역학적 거동을 해석하고 이를 기초로 DB를 구축하였다. 구축된 DB 정보를 이용하여 원하는 성능을 나타낼 수 있는 형상기억합금의 조성, 결정립의 크기, 응력 및 온도 조건 등 주요한 설계변수에 대한 성능 민감도 해석을 수행하여, 형상기억합금에 대한 멀티스케일 설계 기술 기반을 예시하였다.
연구결과의 활용계획
본 연구에서 개발된 멀티스케일 해석기술은 각기 다른 학문영역에서, 서로 다른 이론에 기반한 다양한 스케일의 해석기법을 유기적으로 결합하는 기술로, 학제 융합적 연구의 대표적인 성과이다. 개발된 지능재료 시스템에 대한 멀티스케일 해석기술은 신재료 연구에 적용되어 bulk metallic glasses 또는 quasicrystals과 같은 새로운 개념의 소재의 다양한 특성 연구에 응용될 수 있다. 또한 본 해석기술은 재료의 거시적 거동에 미시적 기작이 미치는 영향에 대한 깊은 학문적 연구를 가능케 함으로써, 최근 나노-마이크로 역학에 대한 이해를 심화시키는 한편 이의 종합적 반응으로 나타나는 소재의 거시적 거동에 대한 분석에 활용될 수 있다. 더 나아가 본 기술의 확장을 통해 일반적인 형상 기억합금 특성뿐만 아니라 자기장에 대한 영향을 포함하는 마그네틱-형상기억합금의 대한 해석기법, 형상기억합금의 균열 진전 (crack propagation) 또는 피로파괴에 대한 해석 등, 다중물리(multi-physics) 해석에 singularity가 복합적으로 작용하는 난해한 해석까지 확장될 수 있으며, 이 결과 지능재료의 복잡한 거동 및 수명 예측 및 신뢰성 평가에 활용될 수 있다.
Abstract
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Purpose&contents
A multiscale design framework that integrates calculations at different length scales, quantum-nano-micro-meso-continuum, is developed to study the phenomena cascaded over various length scales in intelligent materials systems from phase transformations to grains to the mechanics
Purpose&contents
A multiscale design framework that integrates calculations at different length scales, quantum-nano-micro-meso-continuum, is developed to study the phenomena cascaded over various length scales in intelligent materials systems from phase transformations to grains to the mechanics of the entire system. New design parameters such as the composition of alloys and the size of grains are optimized such that the system satisfies the functional requirements in its best form. The proposed technology is novel in that it is capable of simulating phenomena that are inherently multiscale.
Result
In order to analyze accurately, we divide each domain of analysis which can optimize the accuracy and performance of each scale method and develop the corresponding scale model. In quantum scale we conduct calculations of crystal structure, binding energy and materials' properties and obtain stress conditions for stress-induced phase transformation. In atomic scale, we develop a new potential which can describe the mechanical behavior of SMA, and perform the phase transformation induced by temperature field and superelastic response to external stresses. Furthermore we obtain chemical free energy, energy barrier, change of materials' constants, which are required quantities for phase field model analysis. Using phase field model, we figure out different mechanical responses according to various chemical composition and analyze the effect of temperature and stress fields. In addition, we investigate the growth and movement mechanism of grains on the grain boundaries and transfer all information to upper scale. Using crystal FEM method, we analyze the change in mechanical response of SMA under a large number of crystals. Here, we investigate the interaction between crystals and the change due to composition and crystal direction. And, complex mechanical responses including the initiation of plasticity, twinning are analyzed. All developed and analyzed methods are incorporated into a single framework, which allows two-way information transfer, so that final multiscale method is developed. This method is validated its accuracy and efficiency by performing the calculations about the phase transformation induced by temperature and stress fields and superelastic behavior induced by stress. In addition, we make DB based on numerous number of calculations with various conditions of temperatures, stresses, compositions and different sizes of grains. Based on DB, we further conduct the changes in performance of SMA materials with variation of design parameters such as composition, grain size, stress and temperature, which enable us to design SMA devices that shows desired performance.
Expected Contribution
The multiscale analysis and design method, developed in this project as an efficiently combining different-scale analysis methods, is one of representative achievements in the interdisciplinary studies of different major fields. It can be adopted on the development of noble materials such as bulk metallic glasses and quasicrystals to investigate and predict the various outstanding characteristic of these materials. In addition, because this method enables to study how micro or nanoscale mechanism affects on the macroscale behavior of materials, it is possible to understand deeply on nanoscale mechanics as well as the resulting macroscale mechanics in detail. Furthermore, by combining multiphysics simulation, this method can be used for life-prediction and reliability evaluation of various complicate materials.
목차 Contents
- 핵심연구사업 최종보고서 ... 1
- 목 차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 22
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 23
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 30
- 5. 연구 성과 목표 ... 36
- 6. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 38
- 7. 연구결과의 활용계획 ... 41
- 8. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 42
- 9. 참고문헌 ... 43
- 10. 연구성과 ... 45
- 끝페이지 ... 77
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