The demand for materials with porosity is steadily increasing and the need for porous materials is increasing in fields such as chemical engineering and energy storage. In order to minimize trial and error, verifying design validity through finite element method at the design stage has the advantage to verify design validity with low cost. However there are limitations in finite element analysis using porous materials. In this study calculating the equivalent mechanical properties reflecting the porosity was carried out, and the first step was the isotropic elasticity in plane stress condition. The equivalent elastic modulus and the equivalent Poisson's ratio were derived through simulation. Assuming that the voids exist in a two-dimensional symmetrical shape and a constant distribution, the unit cell was defined and the equivalent mechanical properties were calculated. The specimen with same condition were measured through a universal test machine (UTM), the elastic modulus and Poisson's ratio were measured. The similarity between the value obtained through the simulation and the value measured through the experiment was under 5%, so the validity of this simulation was verified. With this result, FEM with porous materials will be used for design.

기능경사 소재(FGM)에는 서로 다른 두 가지 구성입자들이 혼합되어 있는 경사층(graded layer)이 삽입되어, 소재 전 영역에 걸쳐 구성입자의 체적분율이 연속적이고 기능적으로 변화하도록 되어있다. 이러한 이상(dual-phase) 입자복합재의 열 기계적 거동을 해석함에 있어 필수적인 경사층의 물성치는 전통적으로 균질화 기법을 이용하여 예측되었다. 하지만, 이러한 균질화 기법은 구성입자의 형태, 분산구조 등과 같은 상세 형상을 반영하지 못하지 때문에 복합재의 총체적인 등가 물성치 예측에만 국한 되어왔다. 이러한 맥락에서 본 연구에서는 경사층을 미시역학적으로 이산화 모델링하고, 다양한 체적분율과 외부 하중조건에 대해 유한요소해석을 실시하여 이러한 균질화 기법들의 특성을 분석하였다.

본 연구에서는 기지개와 미시구멍으로 구성된 복합재료에 입자보강 복합재료의 등가 재료상수 예측기법인 평균장 근사이론과 등가원리를 적용하여 위상 최적화에 필요한 등가 재료상수와 설계변수와의 상관관계식을 유도하였다. 또한, 유도된 관계식에 중간값을 갖는 설계변수의 수를 줄이기 위하여 벌칙인자를 도입하였다. 그리고 본 연구의 타당성을 검증하기 위하여 벌칙인자가 도입된 위상 최적화문제를 순차이차계획법인 PLBA 알고리즘을 이용하여 해석하였다.