Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Mashayekhi,Saeed ZeiaeiRad,Mohsen Esfahanian
محمد مشایخی (استاد مشاور) سعید ضیائی راد (استاد راهنما) محسن اصفهانیان (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Silani
محمد سیلانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1385

TITLE

Multiscale Modeling -Concurrent and Semi-Concurrent- of Polymeric Clay/Epoxy Nanocomposites
This doctoral thesis aims to develop and use multiscale methods to simulate and predict the clay nanocomposite behaviours. The use and development in multiscale methods provide not only a better underestanding of material properties , but also facilitates the future design of such materials, i.e. computational materials design. First, some epoxy and clay nanocom- posite samples with different clay concentration were built and the mechanical properties were measured. Using these results, the damage and fracture of nanocomposite samples in macro scale were simulated and compared with the obtained test data. To facilitate the implementation and use of multiscale modeling, an open source code is developed which uses the eXtended Finite Element Method (XFEM) to simulate the cracks. Since there are many uncertainties in determination of physical, mechanical and geometrical properties of clays, in this research a combination of micromechanics and stochastic methods were used to predict the elastic modulus and damage parameter of fully exfoliated clay nanocomposites. Next, a semi-concurrent approach for modeling damage in the clay nanocomposites is presented. This method bridges the meso-scale to the macro-scale by a homogenized damage parame-ter. Finally, a concurrent multiscale method is introduced and implemented for 3D dynamic applications. The investigation showed that the proposed method can accurately simulate the crack in the different scales and the spurious wave reflection from coupling region is minimum. Keywords Multiscale analysis, Clay nanocomposites, Micromechanics, Arlequin method.
: با گسترش روز‌افزون فرآیند‌های نوین ساخت در عرصه نانو‌تکنولوژی و ظهور مواد جدید با خواص ویژه و چند‌گانه، شرکت‌های بزرگ تجاری رقابت شدیدی را در زمینه سرمایه‌گذاری و تجاری‌سازی نانو‌مواد آغاز‌کرده‌اند. در این میان نانوکامپوزیت‌ها به علت خواص ویژه و متنوعی که از خود نشان‌می‌دهند، توجه ویژه‌ای را در صنایع خودروسازی، صنایع هوایی و صنایع بسته‌بندی به خود جلب نموده‌اند. در کنار توسعه سریع در روش‌های آزمایشگاهی در این حوزه، لزوم گسترش روش‌های عددی کارا و مؤثر در پیش‌بینی و شبیه‌سازی رفتار نانو‌مواد بیش از پیش خودنمایی می‌کند. هدف اصلی از تحقیق حاضر توسعه و استفاده از روش‌های چند‌مقیاسی برای شبیه‌سازی و پیش‌بینی رفتار نانوکامپوزیت‌های خاک‌رسی می‌باشد. توسعه و استفاده از این روش‌های مدل‌سازی علاوه بر درک بهتر از نحوه رفتار نانو‌مواد، امکان طراحی محاسباتی این مواد را نیز فرآهم می‌آورد. قبل از انجام آنالیز‌های چند‌مقیاسی، ابتدا نمونه‌هایی از اپوکسی و نانوکامپوزیت خاک‌رسی با درصدهای متفاوتی از رس ساخته و سپس خواص مکانیکی این نمونه‌ها اندازه‌گیری شد. بر پایه نتایج حاصل از آزمون‌های تجربی، پدیده آسیب و شکست در نمونه‌های نانوکامپوزیت‌ خاک‌رسی تحت کشش در مقیاس ماکرو شبیه‌سازی شد. محل شروع و مسیر گسترش ترک به همراه نمودارهای تنش-کرنش نمونه‌های تحت کشش با نتایج آزمون‌های تجربی مقایسه شد. به منظور سهولت در پیاده‌سازی و استفاده از روش‌های چند‌مقیاسی در شبیه‌سازی رفتار مواد ناهمگون، یک کد متن‌باز چند‌مقیاسی با قابلیت مدل‌سازی در سه مقیاس نانو، مزو و ماکرو و در دامنه‌های پیوسته و اتمی نگارش شد. این کد با بهره‌گیری از روش اجزا محدود توسعه یافته، انجام انواع آنالیز‌های چند‌مقیاسی در حضور ترک را امکان‌پذیر می‌نماید. توانمندی و عملکرد کد توسط چندین مثال گویا در شبیه‌سازی رفتار نانوکامپوزیت‌های خاک‌رسی بررسی شد. با بهره‌گیری از توانمندی‌های کد مذبور، درک بهتری از رفتار نانو‌مواد و دیگر مواد ناهمگون حاصل خواهد شد. با توجه به ابعاد بسیار کوچک ذرات به‌کار رفته در نانوکامپوزیت‌های خاک‌رسی، عدم قطعیت‌های بسیاری در تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی این اجزاء وجود داشته که این امر استفاده از روش‌های مدل‌سازی قطعی را برای پیش‌بینی رفتار این مواد دشوار می‌نماید. به همین دلیل، در این تحقیق و با استفاده از ترکیبی از روش‌های میکرومکانیک و آنالیز تصادفی، مدول الاستیک و پارامتر آسیب نانوکامپوزیت‌های خاک‌رسی کاملاً مجزا پیش‌بینی شد. مدول الاستیک‌های پیش‌بینی شده با نتایج تجربی مقایسه گردیده و صحت و دقت آنها بررسی شد. در ادامه و با بهره‌گیری از یک روش نوین انتقال داده بین مقیاس‌های ریز و درشت، یک روش چند‌مقیاسی نیمه‌همزمان برای شبیه‌سازی رفتار آسیب مواد ناهمگون ارائه و در نرم‌افزار آباکوس پیاده‌سازی شد. این روش چند‌مقیاسی از انتقال گرادیان تغییر شکل از مقیاس درشت به مقیاس ریز و ارسال پارامتر آسیب از مقیاس ریز به مقیاس درشت استفاده می‌کند. در این روش از گرادیان تغییر‌شکل ارسالی به عنوان شرط مرزی درمحاسبات مربوط به مقیاس ریز استفاده شده و همگن‌سازی، پارامتر آسیب را به مقیاس درشت برمی‌گرداند. این روش بر روی نانوکامپوزیت‌های خاک‌رسی اعمال و نتایج آن با نتایج حاصل از میکرومکانیک صحه‌سنجی شد. در پایان نیز یک روش چند‌مقیاسی همزمان در حالت سه‌بعدی و با قابلیت مدل‌سازی ترک معرفی و پیاده‌سازی شد. بررسی‌های انجام شده نشان دادند که این روش چند‌مقیاسی، توانایی مدل‌سازی ترک در مقیاس‌های گوناگون را داشته و با توجه به ناچیز بودن پدیده برگشت مجازی امواج، روش ارائه شده قابلیت استفاده در کاربردهای دینامیک را دارد. لغات کلیدی: شبیه سازی چند مقیاسی- نانوکامپوزیت- روش اجزای محدود

ارتقاء امنیت وب با وف بومی