عنوان پایان‌نامه
مدل‌سازی رفتار غیرخطی هیدروژل هوشمند حساس به PH مورد استفاده در عملگرهای شیمی مکانیکی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3516;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79227;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3516;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79227
- تاریخ دفاع
- ۰۲ بهمن ۱۳۹۵
- دانشجو
- ناصر اربابی
- استاد راهنما
- محمود موسوی مشهدی, مصطفی باغانی
- چکیده
- هیدروژل‌ها در دسته مواد نرم قرار می‌گیرند که توانایی تغییر فرم زیاد در واکنش به نیروهای کم را دارند. در فاز اول این پژوهش، کارایی انواع مختلف میکروشیرهای ساخته‌شده بر اساس میکرو- لوله هیدروژلی حساس به pH روکش شده بر روی میله صلب با استفاده از آنالیز تعامل جامد و سیال (FSI) موردمطالعه قرار گرفت. برای این منظور، یک حل تحلیلی برای تورم همگن میکرو-لوله مقید معرفی گردید که برای صحت سنجی حل عددی مورداستفاده قرار گرفت. سپس یک میکروشیر شامل یک میکرو-لوله هیدروژلی در فشار سیال ورودی و pH مختلف موردبررسی قرار گرفت. سپس، الگوهای مختلف برای شناسایی تأثیر الگوها بر روی رفتار میکروشیرها معرفی گردید. فشار نشتی شیرها برای هر یک از الگوها موردبررسی قرار گرفت. آنالیز FSI برای طراحی دقیق دستگاه‌های میکرو سیالاتی پیشنهاد می‌گردد. اخیراً دولایه‌های هیدروژلی به‌طور گسترده‌ای در ساخت حسگر و عملگرهای نرم مورداستفاده قرار می‌گیرند. در فاز دوم پژوهش، یک مدل تحلیلی برای حل خمیدگی ناشی از تورم یک‌لایه هیدروژلی حساس به pH چسبیده به یک‌لایه الاستومری موردبررسی قرار گرفت. تانسور گرادیان تغییرشکل، بدون در نظر گرفتن حالت میانی، برای نگاشت حالت اولیه به حالت نهایی تعریف شد. یک تابع نمایی با چهار ثابت برای تعریف تغییرشکل لایه هیدروژلی پیشنهاد گردید. روش معرفی‌شده منجر به شش معادله با شش مجهول می‌شود که به‌وسیله روش‌های عددی قابل‌حل است. به‌عنوان مطالعه موردی، این روش برای حل خمیدگی ناشی از تورم دولایه‌های با پارامترهای مختلف مورداستفاده قرار گرفت. نتایج حل تحلیلی تطابق خوبی با نتایج المان محدود دارد که نشان از دقیق بودن روش ارائه‌شده است.
- Abstract
- In this work, the mechanical behavior of smart hydrogels is studied for temperature sensitive and, pH and temperature sensitive ones. First, an equilibrium model is presented for the temperature sensitive hydrogles which is continuous and numerically stable especially in the vicinity of the phase transition temperature. The model results are validated through comparing them with the experimental data available in the literature. The model results are in good agreement with those of experiments especially for hydrogels with high cross-linking density. Then, the model is implemented in a finite element framework by which some homogeneous and inhomogeneous problems are numerically solved. Specially, behavior of a temperature sensitive micro-valve is investigated both analytically and numerically. In the next step, extending the presented temperature sensitive model, an equilibrium model is developed for pH and temperature sensitive hydrogels accounting for large deformations. Comparing with the experimental data, the model is validated. The results demonstrate the continuity and stability of the model against pH and temperature changes. Then, the model is discretized in the framework of finite element and some homogeneous and inhomogeneous swelling problems are studied utilizing the model both analytically and numerically. Finally, considering the second law of thermodynamics, the presented equilibrium model for the temperature sensitive hydrogels is extended to the transient regime. The extended model is also capable of predicting neutral hydrogels behavior. The governing equations are implemented in the finite element framework for transient problems. Thereafter, some homogeneous and inhomogeneous swelling problems are investigated which their results are in good agreement with the experimental observations. Thus, due to good agreement with the experimental results, the models presented in this work, can be implemented for investigating the behavior of the temperature sensitive and, pH and temeperature sensitive hydrogels in engineering initial and boundary value problems. Keywords: Smart hydrogels, homogeneous and inhomogeneous swelling, large deformations, finite element method.
