دفاعیه دکتری در دانشکده مهندسی مکانیک

  رهام رفیعی دانشجوی دوره دکتری دانشکده مهندسی مکانیک روز دوازدهم اسفندماه از رساله خود با عنوان « پیش‌بینی ثوابت مهندسی کامپوزیت نانوتیوب کربن و اپوکسی با روش چندمقیاسی احتمالی» دفاع خواهد نمود.

  چکیده این پروژه که راهنمایی آن بر عهده دکترمحمود مهردادشکریه می‌باشد به شرح زیر است:

  هدف از این پژوهش پیش‌بینی خواص مکانیکی (مدول الاستیک و ضریب پوآسون) کامپوزیت پلیمری تقویت شده با نانولوله کربن می‌باشد. برای تحقق این امر شیوه مدلسازی چندمقیاسی سلسله مراتبی بر اساس یک منطق تمام تصادفی که طیف کامل مقیاسهای نانو، مایکرو، مسو و مکرو را شامل می‌شود؛ توسعه داده شده است.

  در مقیاس نانو، حل بسته‌ای برای پیش‌بینی مدول الاستیک نانولوله کربن بر اساس مدلسازی محیط پیوسته نانومقیاس توسعه داده شده است. بر خلاف تمامی پژوهش‌های پیشین که از المان فنر و یا خرپا برای شبیه‌سازی پیوندهای کربن-کربن در ساختار مولکولی نانولوله کربن به منظور توسعه حل بسته استفاده کرده‌اند، در این پژوهش از المان تیر استفاده شده است. ابتدا، حل بسته‌ای برای شبیه‌سازی ورق گرافن توسعه داده شده است و این حل بسته به نانولوله کربن بسط داده شده است. حل بسته توسعه داده شده برای نانولوله کربن بر اساس المان تیر تطابق بسیار خوبی با مشاهدات آزمایشگاهی نشان می‌دهد و اختلاف بسیار کمی با حل تحلیلی مبتنی بر المان فنر/خرپا دارد. بنابراین در این پژوهش استفاده از المان تیر به عنوان یک ساده‌سازی بسیار مناسب برای شبیه‌سازی نانولوله کربن ملاک عمل قرار گرفته ‌است.

  در مقیاس مایکرو، از یک شیوه مدلسازی چندمقیاسی توامانی که نانولوله را به صورت ساختار مشبک مولکولی خود در مقیاس نانو و رزین اطراف را به صورت یک محیط پیوسته در مقیاس مایکرو شبیه‌سازی می‌نماید، استفاده شده است. فاز واسط در این پژوهش به صورت کامل از نوع برهم‌کنش واندروالس در نظر گرفته شده است. با توجه به ماهیت غیرخطی برهم‌کنش واندروالس، تحلیل المان محدود به صورت غیر خطی و تطابقی صورت پذیرفته است و در هر مرحله از تحلیل، وضعیت پیوندهای واندروالس بر اساس آخرین وضعیت نانولوله و رزین اطراف اصلاح می‌گردد. با توجه به این امر که قوانین مایکرومکانیک توسعه داده شده برای کامپوزیت‌ها در مقیاس نانو معتبر نمی‌باشند، بر خلاف پژوهش‌های پیشین، به جای استفاده مستقیم از روابط مایکرومکانیک، ایده تک رشته معادل که جایگزین نانولوله کربن و فاز واسط آن می‌باشد؛ توسعه داده شده است. خواص مکانیکی تک‌رشته معادل بر اساس مدلسازی مذکور محاسبه گردیده است که حاکی از رفتار ایزوتروپ جانبی برای تک‌رشته معادل می‌باشد. تاثیر طول نانولوله کربنی بر پدیده انتقال بار از رزین به نانولوله کربن نیز بررسی گردیده است.

  در مقیاس مسو، مدل مایکرومکانیک مناسب به منظور لحاظ کردن جهت‌های مختلف نانولوله و تجمع نانولوله‌های در توده‌های خوشه‌ای شناسایی و معرفی شده‌است. در این مقیاس، قرارگیری نانولوله کربن به صورت غیرمستقیم و تاثیر آن در افت خواص مکانیکی بلوک‌های سازنده محیط مادی بررسی شده است و یک روش تحدیدی پدیده‌شناختی به منظور لحاظ کردن قرارگیری نانولوله به صورت غیرمستقیم توسعه داده شده است. خواص نهایی محیط مادی در مقیاس مکرو، بر اساس میانگین‌گیری از خواص بلوک‌های سازنده محاسبه گردیده است. روش مذکور جایگزین بسیار مناسبی برای روش اجزاء محدود بوده، زمان تحلیل را به صورت فزاینده‌ای کاهش می‌دهد.

  با توجه به عدم قطعیت‌های موجود در مساله، در این تحقیق شیوه مدلسازی چندمقیاسی بر خلاف سایر پژوهش‌ها به صورت تمام تصادفی توسعه داده شده است. پارامترهایی همانند طول نانولوله کربن، جهات مختلف راستای نانولوله کربن، شکل غیرمستقیم، میزان تجمع توده‌ای و انتشار غیریکنواخت نانولوله کربن در محیط مادی به صورت اتفاقی شبیه‌سازی شده‌اند. مشخص گردیده است که در فرآیند مدلسازی اتفاقی، دو عامل طول و کسرحجمی نانولوله کربن را می‌توان به صورت میانگین در نظر گرفت و آنها را از گروه متغیرهای تصادفی حذف نمود. نتایج شبیه‌سازی تطابق بسیار خوبی با مشاهدات آزمایشگاهی صورت گرفته توسط دیگران را نشان می‌دهند.