18238

18238

پيش بيني استحكام نانوكامپوزيت گرافن/اپوكسي با روش چند مقياسي

دكتري

طراحي كاربردي

آبان ماه 1396

دكتر محمود مهرداد شكريه

مكانيك

هدف اصلي اين رساله ارائه روشي چند مقياسي به منظور محاسبه استحكام نانوكامپوزيت گرافن/اپوكسي است. از آنجايي كه در مقياس نانو پديده¬هاي ناشناخته و پيچيده زيادي وجود دارد و همچنين اغلب روش¬هاي موفق در نانومكانيك برگرفته از روش¬هاي ميكرومكانيك است، شروع كار اين پژوهش از توسعه روش¬هاي ميكرومكانيك آغاز مي¬شود. در گام نخست روشي به نام كامپوزيت لايه¬اي معادل (LA) به گونه¬اي توسعه يافت كه مي¬توان به كمك آن سفتي كامپوزيت حاوي الياف كوتاه با توزيع تصادفي دو بعدي را محاسبه نمود. با قرار دادن اين روش در الگوريتم تخريب پيش¬رونده، نمودار تنش-كرنش كامپوزيت تا تخريب نهايي و در نتيجه استحكام آن محاسبه شد. در اين الگوريتم مقدار لازم جهت تقليل خواص مكانيكي در هر مرحله نموي با توجه به مود¬هاي تخريب كامپوزيت تعيين مي¬شود. در گام بعد، روش كامپوزيت لايه¬اي معادل (LA) به منظور مدل كردن كامپوزيت حاوي الياف كوتاه با توزيع سه بعديِ تصادفي توسعه يافت. با تركيب روش¬هاي كامپوزيت لايه¬اي معادل و موري-تاناكا، روشي موسوم به MT-LA ارائه شد كه به كمك آن مي¬توان كامپوزيت حاوي تقويت كننده¬هاي صفحه¬اي را مدل‌سازي كرد. به منظور آماده كردن روش MT-LA جهت مدل¬سازي دقيقتر، نانوكامپوزيت گرافن/اپوكسي با استفاده از شبيه¬سازي ديناميك مولكولي مورد تحليل قرار گرفت. نتايج اين شبيه سازي نشان داد كه پليمر تا فاصله¬اي مشخص از دو طرف گرافن داراي خواصي متفاوت از پليمر خالص است. اين ناحيه به عنوان فاز مياني در نظر گرفته شد. همچنين در اين شبيه¬سازي نشان داده شد كه سفتي طولي گرافن محصور در پليمر با سفتي گرافن مجزا متفاوت است. با تركيب نتايج ديناميك مولكولي و روش ميكرومكانيك هالپين-تساي، رابطه¬اي استخراج شد كه به كمك آن سفتي طولي گرافن محصور در پليمر برحسب طول گرافن محاسبه شد. به منظور لحاظ كردن يافته¬هاي شبيه-سازي ديناميك مولكولي در روش MT-LA، اين روش به حالت سه فازي توسعه يافت. با قرار دادن اين روشِ توسعه يافته در يك الگوريتم تخريب پيش¬رونده نمودار تنش-كرنش نانوكامپوزيت تا لحظه شكستِ نهايي پيش‌بيني گرديد. مقايسه نتايج حاصل از اين روش با نتايج تجربي موجود در مقالات نشان از دقت مناسب آن در محاسبه سفتي و استحكام نانوكامپوزيت تقويت شده با نانو ذرات گرافن دارد. كلمات كليدي: نانوكامپوزيت گرافن/اپوكسي، استحكام، تخريب پيش¬رونده، روش چندمقياسي، ديناميك مولكولي

1396/10/05

11/14/2017 12:00:00 AM

The main purpose of this study is to predict the strength behavior of graphene/epoxy nano composites using a multi-scale simulation. Since there many unknown phenomena in the nanoscale and most of the successful methods in nanomechanics have been derived by micromechanics, this research is started with some modification in micromechanics. In the first step the laminate analogy (LA) method was used in a progressive damage algorithm to simulate the tensile behavior of a two-dimensional short fiber composites up to final failure. The Mori-Tanaka (MT) and LA methods were combined to make a model which can consider the three dimensional orientations of the short fibers. This model is called MT-LA and it can also be used to model the platelet-reinforcement composites. To prepare the MT-LA method to model the graphene/epoxy nanocomposites some nano scale studies have been done. The molecular dynamic (MD) simulation was used to model the nanocomposites via the open-source Lammps software. The MD results showed that both stiffness and strength of epoxy in a definite distance from the graphene (at interphase region) are three times greater than the pure epoxy. It is also shown that the longitudinal stiffness of the embedded graphene is different from that of the isolated one and increases with graphene length. To consider the MD results in a micromechanical method, the MT-LA was extended to a three-phase model. This new model was used in a progressive damage algorithm to simulate the stress-strain behavior of nanocomposites up to the final failure. A comparison of results of the present model with the available experimental data in the literature shows the capability of the model to predict both stiffness and strength of the graphene/epoxy nanocomposites. Keywords: Nanocomposites, graphene/epoxy, strength, progressive damage, multi-scale method, molecular dynamics.