SUPERVISOR
Seyed Ailreza Shahidi rizi,Abbas Ghaei
سید علیرضا شهیدی ریزی (استاد راهنما) عباس قائی (استاد مشاور)
STUDENT
Gholam Ghorbani
غلام قربانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Thermal Buckling Analysis of Nanoplate Based on Two Variable Refined Plate Theory via Nonlocal Small Scale Effect by DQM
: In this work, the mechanical stability of nanoplates under thermal loading was studied. Graphene is the two-dimensional (2D) counterpart of graphite with superior properties. High hardness, excellent electrical and thermal conductivity, high mechanical strength, flexibility and unique magnetic properties are among the most important properties of nanometer-sized graphene. These unique properties have attracted a lot of attention in different areas of science. Buckling is one of the most important issues on the mechanical analysis of plates. So, buckling of plates, especially those made of graphene, was studied in this thesis. Thermal buckling is one type of buckling that is caused due to the temperature rise in the parts and it is a major challenge in the construction of new electronic components. Today's electronics is silicone-based, and graphene is a potential alternative for the future electronic devices. Therefore, the phenomenon of thermal buckling has also been considered in this thesis. In order to take the small scale effects into account, Eringen’s non-local elasticity theory was employed to derive the constitutive equations as the results obtained from this theory has been reported to match well with atomic simulation results. Also, two-variable refined plate theory was utilized to derive the governing buckling equation of orthotropic plate. This theory takes the transverse shear effects into account and assumes a parabolic distribution for the transverse shear strains through the plate thickness. Therefore, the results obtained from this theory are more accurate than those obtained from the classical plate theory. The DQ method was then used to solve the governing equations. This method converts the differential equation into a set of algebraic equations within the problem domain. The main advantage of DQ method over the analytical method is its ability to consider any arbitrary quadrilateral geometry and various boundary conditions. Buckling of arbitrary straight-sided quadrilateral plates with both simply-supported and clamped boundary conditions was investigated. The boundary conditions were imposed using the Shu’s direct method. For the sake of convenience and generality, the governing equations were non-dimensionalized. A computer program was coded in MATLAB software and it was used to study the effect of various parameters on the buckling load. As for the verification purposes, the numerical solution was compared with the Navier’s solution (exact solution) and excellent agreement was observed. The effect of small scale factor for different modes and geometrical parameters that influence the thermal load was also studied. The effect of geometrical parameters, including the aspect ratio of trapezoid, angle of parallelogram and aspect ratio of rectangle, on the buckling load were plotted for different scale coefficients. It was observed that the DQ method is an effective method in terms of both accuracy and rate of convergence for analysis of nanostructures. Moreover, it was found that the critical load ratio is equal to the critical temperature ratio in similar situations. It was also proven that the dimensionless buckling load is independent of the elasticity modulus for isotropic material, and it is dependent on the orthotropic ratio (E2/E1) for orthotropic materials, not on the moduli. Keywords: Thermal buckling, Orthotropic nanoplate, Nonlocal theory, Differential quadrature method, Two variable refined plate theory
در این پایان نامه تحلیل پایداری مکانیکی نانوصفحات مدنظر است. مهمترین نانوصفحه ای که تاکنون شناخته شده گرافن می باشد. گرافن در واقع قسم دوبعدی گرافیت است. از جمله ویژگی های گرافن می توان به اندازه نانومتری، سختی و استحکام مکانیکی بسیار زیاد، قدرت رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالا، انعطاف پذیری و خاصیت مغناطیسی اشاره کرد. این ویژگی های منحصربه فرد باعث شده تا این ماده مورد توجه دانشمندان در حوزه های مختلف قرار گیرد. از طرفی کمانش یکی از مهم ترین موضوعات در تحلیل مکانیکی صفحات است. بنابراین در این پایان نامه موضوع کمانش در نانوصفحات و به ویژه نانوصفحه گرافن مورد بررسی قرارگرفته است. یکی از شکل های کمانش، کمانش در اثر افزایش دما است که به کمانش حرارتی شناخته می شود. افزایش دما چالشی اساسی در ساخت قطعات جدید الکترونیکی است. الکترونیک امروزه بر پایه ماده ی سیلیکون بوده و البته یکی از امیدهای کاربرد گرافن استفاده ی آن به جای سیلیکون در قطعات الکترونیکی می باشد. به همین دلیل در این پایان نامه مسئله کمانش حرارتی نیز مورد توجه قرار گرفته است. برای اعمال اثرات مقیاس کوچک یا همان نانوساختار بودن از تئوری غیرمحلی ارینگن در استخراج معادلات ساختاری استفاده شده که این تئوری به دلیل تطابق خوب نتایج آن با نتایج شبیه سازی های اتمی انتخاب شده است. همچنین برای استخراج معادلات کمانش نانوصفحه ارتوتروپیک از تئوری دومتغیره اصلاح شده صفحات استفاده شده است. این تئوری در مقایسه با تئوری کلاسیک اثر برش را در جابه جایی عرضی لحاظ و توزیع کرنش برشی در ضخامت را به صورت سهمی شکل در نظر می گیرد. بنابراین نسبت به تئوری کلاسیک دقت بهتری دارد. برای حل معادلات حاکم از روش سنجش وزنی مشتق استفاده شده است. در این روش عددی معادله دیفرانسیل تبدیل به یک مجموعه معادله ی جبری در نقاط دامنه می شود. استفاده از این روش در مقایسه با روش های حل تحلیلی به این سبب است که این روش امکان تغییر هندسه به چهارضلعی دلخواه و همچنین امکان بررسی شرایط مرزی متفاوت را فراهم می کند. در این پایان نامه نیز مسئله کمانش برای هر چهارضلعی دلخواه مستقیم الخط و شرایط مرزی مختلط ساده و گیردار بررسی شده است. برای اعمال شرایط مرزی روش مستقیمِ شو استفاده شده، همچنین برای عمومیت و سادگی جواب ها معادلات بی بعدسازی شدند. برای حل مسئله یک کد در محیط نرم افزار متلب نوشته و تاثیر پارامترهای مختلف بر بار کمانش مطالعه شد. برای اعتبارسنجی نتایج حل عددی از روش حل ناویر(حل دقیق) برای مقایسه استفاده شد. تاثیر ضریب مقیاس کوچک به ازای مودهای مختلف و نیز تاثیر پارامترهای هندسی تاثیرگذار بر بار حرارتی مطالعه گردید. اثر پارامترهای هندسی مطالعه شده شامل نسبت ابعاد ذوزنقه، زاویه متوازی الاضلاع، ضریب رعنایی مستطیل بر بار کمانش در نمودارهای مجزا به ازای ضرایب مقیاس مختلف رسم شد. نتیجه شد که روش سنجش وزنی، روش مناسبی برای بررسی نانوساختارها به لحاظ دقت و همگرایی می باشد. همچنین مشخص شد که نسبت بار بحرانی ونسبت دمای بحرانی در شرایط مشابه مقادیر برابری دارند. ثابت شد که بار کمانش بدون بعد برای ماده ی ایزوتروپیک مستقل از مدول الاستیسیته است همچنین نشان داده شده در مواد ارتوتروپیک وابستگی به نسبت ارتوتروپیکی(E2/E1) است، نه مقادیر مدول. کلمات کلیدی: کمانش حرارتی، نانوصفحه ارتوتروپیک، تئوری غیرمحلی ارینگن، روش سنجش وزنی مشتق، تئوری دومتغیره اصلاح شده