عنوان پایان‌نامه
توسعه رابطه به فرم مایکرومکانیک برای پیشبینی مدول یانگ کامپوزیت حاوی نانولوله کربن
- رشته تحصیلی
- مهندسی هوافضا - سازمان های هوافضایی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 63520;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 88
- تاریخ دفاع
- ۱۳ بهمن ۱۳۹۲
- دانشجو
- وحید فیروزبخت
- استاد راهنما
- رهام رفیعی
- چکیده
- یکی از مهمترین مباحث مطروحه در حوزه کامپوزیت‌ها، پیشبینی خواص مکانیکی آنها با دانستن خواص مکانیکی اجزای سازنده آنها می‌باشد. در این راستا روابط مایکرومکانیک مختلفی توسعه داده شده‌اند که برای آن دسته از کامپوزیت‌ها که عامل مقاوم ساز در مقیاس مایکرو وجود دارد مناسب می‌باشند. در خصوص نانوکامپوزیت‌ها، با توجه به این امر که عامل تقویت کننده در مقیاس نانو پدیدار می‌گردد، استخدام مستقیم روابط فوق به علت عدم صادق بودن فرضیات پایه‌ای آنها در مقیاس نانو، منجر به نتایج ناصحیح می‌گردد. از همین روی هدف اصلی در این تحقیق، ارائه رابطه‌ای برای پیشبینی مدول یانگ نانوکامپوزیت‌های حاوی نانولوله کربن و به فرم روابط مایکرومکانیک با در نظر گرفتن مقتضیات چند مقیاسی می‌باشد. باتوجه به اختلاف ابعادی موجود در ساختار این مواد که از مقیاس نانو برای عامل مقاوم‌ساز شروع شده و پس‌از گذار از مقیاس‌های میانی مایکرو و مسو به مقیاس مکرو در بالاترین سطح منتهی می‌گردد، روش جدیدی بر مبنای مدل‌سازی چند مقیاسی توسعه داده شده و به عنوان یک آزمایشگاه مجازی مورد استفاده قرار گرفته است. پیش از آن نیز با ساخت نمونه‌های آزمایشی واقعی از رزین پلیمری حاوی مقادیر متفاوت نانولوله کربن، خواص مکانیکی آنها استخراج شده و به عنوان سنجه‌ای برای مقایسه با نتایج حاصل از آزمایشگاه مجازی توسعه داده شده استفاده شده اند. در آزمایشگاه مجازی فوق با توجه به اینکه مهمترین پدیده‌های واقع در مقیاس مسو تجمع خوشه‌ای و شکل غیرمستقیم نانولوله‌های کربن می‌باشند، براساس منطق حاکم بر دیاگرام ورونوی و الگوریتم دسته‌بندی بیز، الگوریتم جدیدی برای موزائیک بندی نامنظم توسعه داده شده که با پیاده‌سازی آن در نرم‌افزار متلب، المان حجمی معرف در مقیاس مسو به چندضلعی‌هایی ناهمگون و مشتمل بر یک توده خوشه‌ای منفرد تقسیم‌بندی گردیده، محاسبه خواص مکانیکی هرکدام از آنها با درنظر گرفتن موقعیت مکانی خوشه‌ها و استفاده از روابط مایکرومکانیک میسر می‌شود. در ادامه با استفاده از یک روش تحدیدی اثر شکل غیرمستقیم نانولولهها در افت خواص مکانیکی نانوکامپوزیت در نظر گرفته شده و با تخصیص کسرحجمی تصادفی نانولوله‌کربن به هرکدام از المان‌های متشکله در مقیاس مکرو، اثر توزیع غیریکنواخت نانولولهها در بستر رزین نیز مدنظر واقع شده است. درنهایت بر اساس نتایج بدست آمده از مدل‌سازی چند مقیاسی رابطه جدیدی توسعه داده شده که اثر تمامی پارامترهای مربوط را دربر داشته، پیش بینی مدول یانگ را میسر سازد. واژه های کلیدی: نانولوله‌کربن- مدل‌سازی چند مقیاسی- تجمع خوشه‌ای- موزائیک‌بندی نامنظم- رابطه مایکرومکانیک
- Abstract
- Prediction of mechanical properties of carbon nanotube-based composite is one of the important issues which should be addressed reasonably. A proper modeling approach is a multi-scale technique starting from nano scale and lasting to macro scale passing in-between scales of micro and meso. The main goal of this research is to develop a multi-scale modeling approach to extract mechanical properties of CNT based nanocomposites emphasizing on meso-scale parameters. Agglomeration and non-straight shapes of CNTs have to be captured in this specific scale. The representative volume element (RVE) for meso-scale is identified considering local concentration of CNTs as the main source of inhomogeneity in the investigated material region. Irregular tessellation technique on the basis of Voronoi method and Bayes algorithm is employed to partition the RVE at meso scale into constitutive polygons containing one single aggregate. A Matlab code is written to perform this stage on the basis of random pattern. Also, a convergence study is carried out to obtain sufficient number of realizations. Mechanical properties of the tessellated regions are extracted by a combination of micromechanics rule addressing local position and aggregates in the material region. A bounding technique accounting for non-straight shape of CNT is utilized to consider the any arbitrary shape of wavy CNT. Investigated material region at Macro scale is divided into constitutive blocks assigning random volume fractions of CNT to each block implying on non-uniform dispersion of CNT. The results demonstrate the importance of considering the position of local aggregated in modeling procedure. The obtained results of modeling are compared with experimentally measured mechanical properties. Finally, a new formulation in the form of micromechanics equations are developed taking into account all aforementioned inconsistencies. The developed formulation is adjusted using developed multi-scale modeling, thus it can be applied to all types CNTRP and it is not limited to any specific sets of experimental data. Keywords: Carbon nanotube, Multi-scale modeling, Agglomeration, Irregular Tessellation, Micromechanics Rule.
