دانشگاه صنعتی شاهرود
دانشکده مکانیک
گروه طراحی جامدات
شبیه سازی عددی قابلیت جذب انرژی نانولوله کربنی تحت ضربه بالستیک
اساتید راهنما :
دکتر محمود شریعتی
دکتر حمیدرضا ایپکچی
پایان نامه ارشد جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
بهمن ماه 1392
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
نانولوله کربنی را میتوان شگفتانگیزترین ماده نانوساختار کشفشده تاکنون دانست. ویژگیهای منحصربهفردی نظیر استحکام بالا، وزن سبک و قابلیت جذب انرژی بالا باعث شده این ماده به تازگی مورد توجه دانشمندان در ساخت جلیقههای ضدگلوله قرار گیرد. در این پایان نامه از مدلی ساختاری در محیط نرمافزار آباکوس برای تحلیل رفتار مکانیکی نانولوله کربنی تحت ضربه بالستیک استفاده شده است. در این مدل ساختاری از رابطهای غیرخطی برای مدل کردن برهمکنشهای پیوندی کشش و پیچش و همچنین از المان فنر غیرخطی محوری برای مدل کردن برهمکنش پیوندی تغییر زاویه استفاده شده است. از مزیتهای این روش، اجرا شدن آن در فضای CAE نرمافزار آباکوس میباشد. این امر باعث می شود که برای تحلیل رفتار مکانیکی نانولولههای کربنی تحت شرایط مختلف مرزی و بارگذاری نیاز به برنامهنویسی نداشته باشیم و هر قابلیتی که نرمافزار در تحلیل مسائل مکانیکی داشته باشد را بتوان بر روی نانولوله اعمال کرد. در این پایان نامه فرایند ضربه توسط جسم صلبی با جرم مشخص به عنوان گلوله، شبیهسازی شده است. تأثیر پارامترهای گوناگونی مانند هندسه، نوع و شرایط مرزی نانولوله کربنی، محل اصابت گلوله به نانولوله کربنی و زاویه برخورد آن در رفتار مکانیکی نانولوله کربنی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تأثیر عیوب مختلف در نانولوله کربنی در میزان جذب انرژی آن تحت ضربه بررسی شده است. در انتها با توجه به اینکه در بررسی پارامترهای مذکور، گلوله از لحاظ هندسی با توجه به مطالعات گذشته طراحی شده، با تغییر هندسه گلوله رفتار نانولوله تحت ضربه بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان میدهد که در نانولوله کربنی دو سر ثابت انرژی جذب شده زمانی که گلوله به وسط نانولوله کربنی اصابت می کند بیشینه می شود؛ در حالی که در حالت یک سرگیردار در ارتفاع نسبی 0.6=z این مقدار بیشینه میگردد. با افزایش زاویه گلوله نسبت به افق جذب انرژی نانولوله کربنی کاهش مییابد. در نانولوله کربنی معیوب، میزان جذب انرژی کاهش یافته که این کاهش در عیب استون- والز بیشتر از عیوب تهیجای میباشد.
کلمات کلیدی: نانولوله کربنی، مدل مکانیک ساختاری، آباکوس، ضربه، انرژی
فهرست مطالب
فصل2: مروری بر مطالعات پیشین… 7
2-2-1 پروانه و همکاران(2009) 9
2-2-2 پروانه و شریعتی(2010) 10
2-2-4 ژانگ و میلواگنام(2006) 12
2-2-5 ژانگ و میلواگنام(2007) 13
3-3 ساختار نانولوله کربنی.. 17
3-4 برهمکنشها و پتانسیلهای موجود در نانولوله کربنی.. 20
3-4-2 برهمکنش خمش زاویهای پیوند(تغییر زاویه) 22
3-4-3 برهمکنش پیچش دوسطحی.. 23
3-4-4 برهمکنش پیچش خارج صفحهای.. 23
3-4-6 برهمکنش الکترواستاتیک…. 25
3-5 ویژگیهای نانولوله کربنی.. 26
3-6 مدلسازی نانولوله کربنی.. 27
3-6-2-1 روش دینامیک مولکولی.. 29
3-6-4 مدلسازی مکانیک ساختاری.. 31
فصل4: رفتار مکانیکی نانولوله کربنی تحت ضربه.. 43
4-2 شبیهسازی ضربه روی نانولوله کربنی.. 45
4-2-1 بررسی صحت مدل وشبیهسازی.. 50
4-2-6 تأثیر عیوب بر روی رفتار مکانیکی نانولوله کربنی تحت ضربه. 76
4-2-8 بررسی تأثیر خطای مدلسازی در تحقیق حاضر. 89
فصل5: نتیجه گیری و پیشنهادات…. 91
مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………94
فهرست اشکال
شکل (2‑1): مدول یانگ نانولوله کربنی تکجداره به عنوان تابعی از نسبت ظاهری نانولوله. 10
شکل (2‑2): نانوکامپوزیت شبیهسازی شده در آباکوس، شامل نانولوله و ماتریس…. 11
شکل (2‑3): مدل اولیه نانولوله کربنی (الف): دو سر گیردار و (ب): یک سر گیردار 12
شکل (3‑1): نمایی از ساختار اتمی C60. 17
شکل (3‑2): مکانیزم ساخت نانولوله کربنی.. 18
شکل (3‑3): سه نوع ساختار مختلف نانولوله کربنی.. 19
شکل (3‑4): برهمکنش کشش پیوند در اتمهای کربن.. 21
شکل (3‑5): برهمکنش خمش زاویهای در اتمهای کربن.. 22
شکل (3‑6): برهمکنش پیچش دو سطحی در اتمهای کربن.. 23
شکل (3‑7): برهمکنش پیچش خارج صفحهای در اتمهای کربن.. 24
شکل (3‑8): برهمکنش واندروالس در اتمهای کربن.. 24
شکل (3‑9): پیوند کربن-کربن: (الف) مدل فیزیکی، (ب) مدل FE کشش پیوند،(ج) مدل FE خمش پیوند. 35
شکل (3‑10): پارامترهای مربوط به یک سلول واحد شش ضلعی.. 38
شکل (3‑11): نحوه قرارگرفتن دستگاه مختصات محلی بر روی مرکز اتمهای کربن.. 40
شکل (3‑12): المانهای فنر و رابط متناظر با برهمکنش اتمهای کربن.. 41
شکل (3‑13): تصویر یک نانولوله کربنی زیگزاگ در فضای CAE نرمافزار آباکوس… 41
شکل (4‑1): قطعه صلب طراحی شده به عنوان گلوله. 46
شکل (4‑2): مونتاژ گلوله در کنار نانولوله کربنی با طول 18/5 نانومتر در دو نما 46
شکل (4‑3): المان بندی اتم کربن.. 48
شکل (4‑4): پارامترهای مختلف موقعیت گلوله قبل از برخورد. 51
شکل (4‑5): موقعیتهای مختلف گلوله در ارتفاعهای نسبی متفاوت قبل از برخورد. 51
شکل (4‑6): نمودار انرژی بر حسب زمان در حالت برخورد گلوله به نانولوله کربنی در ارتفاع نسبی 5/0=z. 53
شکل (4‑8): نمودار سرعت- زمان گلوله در موقعیتهای مختلف… 55
شکل (4‑13): مسیر برخوردگلوله زاویهدار و افقی به نانولوله کربنی.. 61
شکل (4‑14): منحنی تغییرات انرژی جذب شده نرماله شده توسط نانولوله کربنی بر حسب زاویه گلوله. 62
شکل (4‑18): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده نانولوله کربنی با قطرهای مختلف… 68
شکل (4‑19): منحنی مقدار انرژی جذب شده نرماله شده نانولوله کربنی برحسب طولهای مختلف… 70
شکل (4‑24): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی آرمچیر، (الف) دوسرگیردار، (ب) یک سرگیردار 76
شکل (4‑25): نقص از نوع استون- والز در نانولوله کربنی آرمچیر. 77
شکل (4‑26): نقص از نوع تهیجای در نانولوله کربنی زیگزاگ… 77
شکل (4‑27): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی معیوب از نوع تک تهیجای.. 78
شکل (4‑29): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی معیوب (الف) استون- والز (1) ، (ب) استون- والز(2) 82
شکل (4‑32): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبی برای دو گلوله مختلف… 85
شکل (4‑35): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی در لحظه صفر شدن سرعت گلوله. 88
شکل (1‑36): ابعاد سلول واحد شش ضلعی قبل از برخورد ……………………………………………………………………………91
فهرست جداول
جدول (3‑1): پارامترهای ساختارهای مختلف نانولوله کربنی.. 20
جدول (3‑2): ثابتهای معادلات برهمکنش در نانولولههای کربنی.. 39
جدول (4‑1): شرایط اولیه نانولوله کربنی و گلوله. 49
جدول (4‑2): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار در موقعیتهای مختلف گلوله. 52
جدول (4‑3): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ یک سر گیردار در موقعیتهای مختلف گلوله. 58
جدول (4‑4): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی دو سر گیردار در زاویه های مختلف برخوردگلوله. 62
جدول (4‑5): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با قطرهای مختلف… 66
جدول (4‑6): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی دو سرگیردار با طولهای مختلف… 69
جدول (4‑7): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی آرمچیر دو سرگیردار درموقعیتهای مختلف گلوله. 72
جدول (4‑8): انرژی جذب شده بوسیله نانولوله کربنی آرمچیر و زیگزاگ در ارتفاع نسبی 5/0 برای گلوله. 75
جدول (4‑9): انرژی جذب شده نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با انواع عیوب.. 79
جدول (4‑10): حداکثر انرژی جذب شده بوسیله نانولوله کربنی یک سر گیردار با عیب استون- والز. 83
جدول (4‑12): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با موقعیتی متفاوت برای گلوله. 88
انسان همواره به دنبال محافظت از خود در برابر آسیبهای احتمالی ناشی از ضربه در میدانهای جنگ بوده است. از این رو از هزاران سال پیش زره به تن کرده است. در قرن پنجم پیش از میلاد در ایران و یونان برای ساخت زره از 14لایه کتان استفاده میشده است. 700 سال پس از میلاد نوعی زره بدون آستین شامل صفحههای فولادی یا آهنی که روی نوارهای چرمی چفت میشد در چین و کره ساخته شد که سبکی و انعطافپذیری ویژهای داشت. با پیشرفت سلاح و روی کار آمدن سلاح گرم توجه صنعتگران به تولید زرههایی جلب شد که به کمک صفحههای فولادی ضخیمتر و صفحههای سنگین اضافی بتوانند از بدن انسان در مقابل گلوله محافظت کنند. این کار باعث سنگینی زره شده و استفاده از آن برای شخص تن کننده طاقتفرسا میگردد. مهندسین در دهه ۱۹۶۰ یک جلیقه مقاوم در برابر گلوله و مناسب را ساختند که بر خلاف زرههای سنتی بسیار راحت بود. جلیقههای ضد گلوله سبک از فلز ساخته نشده بود بلکه از بافتهای فیبری که قابل دوخت بر روی جلیقه و دیگر لباسهای سبک میباشد، ساختهشدهاند. در سال 1965 شركت داپونت[1] الیافی با نام تجاری كولار[2] (از خانواده آرامید) تولید و از آن پارچه تولید كرد. در ابتدا كولار در صنعت لاستیک سازی و سپس در تولیدات گوناگونی مثل طناب و واشر و قسمتهای مختلف هواپیما و قایق استفاده گردید. در سال 1971 الیاف كولار به عنوان جایگزین الیاف نایلون در جلیقههای ضد گلوله معرفی شد. در حال حاضر این الیاف یكی از مهمترین الیاف مورد استفاده در تولید این نوع پوشاک میباشد]1[.
جلیقههای ضد گلوله امروزی، به دو نوع تقسیم میشود:
- جلیقههای ضد گلوله سخت
- جلیقههای ضد گلوله نرم
جلیقههای ضد گلوله سخت از صفحههای فلزی و یا سرامیکی ضخیم ساخته میشوند و به اندازه کافی برای انحراف گلوله و سایر سلاحها مقاوماند. مواد بکار رفته در این جلیقهها، گلولهها را با همان نیرویی که به داخل در حال وارد شدن است به خارج هل میدهند. به این ترتیب جلیقه غیرقابل نفوذ خواهد بود. جلیقههای ضد گلوله سخت حفاظت بیشتری را نسبت به جلیقههای ضد گلوله نرم ایجاد میکنند ولی طاقتفرسا تر هستند. افسرهای پلیس و کارکنان نظامی این نوع از لوازم حفاظتی را در هنگامی که میزان خطر احتمالی بالا باشد به تن میکنند؛ ولی برای استفادههای روزمره عموماً از جلیقههای ضد گلوله نرم که میتوان به صورت ژاکت یا تیشرت معمولی به تن کرد، استفاده میکنند.
روش کار این جلیقهها بسیار ساده است. در درون این جلیقهها یک ماده ضد گلوله قرار دارد که در حقیقت یک توری بسیار قوی است. برای درک چگونگی عملکرد آن، تور دروازه فوتبال را در نظر بگیرید که در پشت دروازه بسته شده است. وقتی که توپ به دروازه شوت میشود، دارای انرژی زیادی است و در هنگام اصابت به تور، در یک نقطه مشخص تور را به عقب هل میدهد. هر رشته از یک سمت تیرک به سمت دیگر امتداد دارد و نیروی وارد آمده در آن نقطه مشخص را به سر تا سر تور پخش میکند. این نیرو به دلیل به هم بافته بودن رشتهها پخش میشود و به این طریق، همه قسمتهای تور انرژی وارده از سوی توپ را جذب میکنند و فرقی نمیکند که گلوله به کدام قسمت از تور اصابت کرده باشد.
اگر یک تکه از ماده ضد گلوله را زیر میکروسکپ قرار دهیم، همین ساختار را مشاهده خواهد شد. رشتههای بلندی از الیاف که به هم تنیده شدهاند تا یک ساختار توری شکل متراکم را تشکیل دهند. حال با توجه به اینکه یک گلوله بسیار سریع تر از توپ حرکت میکند، بنابراین این توری باید از مواد محکم تری ساخته شود. معروفترین مادهای که در ساخت جلیقههای ضد گلوله به کار میرود، الیافی به نام کولار است]2[؛ الیافی سبکوزن که ۵ برابر مقاوم تر از یک تکه فولاد، در همان وزن است. زمانی که این ماده به صورت یک تور متراکم در میآید، میتواند نیروی زیادی را جذب کند. به منظور جلوگیری از رسیدن گلوله به سطح بدن، جلیقه ضد گلوله باید برخلاف ضربه مستقیمی که گلوله وارد میکند، عمل کند .به تازگی استفاده از الیافی تار عنکبوت در تولید جلیقهها متداول شده است. استحکام این رشته حدود 20 مرتبه بالاتر از فولاد است]3[.
در هر حال دو عامل مهم در جلیقههای ضدگلوله، قابلیت جذب انرژی و سبکی آن ها میباشد. از این رو استفاده از موادی که دارای این خواص هستند برای دفع یا منحرف کردن گلوله مهم میباشد. جلیقههایی که تاکنون ساخته شده است ممکن است از مرگ جلوگیری کند اما همچنان باعث کبودی و آسیبدیدگی اندامهای حیاتی بدن میشوند. از همین رو پژوهش برای رسیدن به بهترین ماده جهت استفاده در جلیقه ضدگلوله همچنان ادامه دارد. آخرین پژوهشهای صورت گرفته در این زمینه نشان میدهد که رشتههایی از جنس نانولوله کربنی[3] حتی از ابریشم عنکبوت نیز مقاومتر هستند. نانولولههای کربنی به دلیل استحکام بالا، وزن کم و ظرفیت جذب انرژی بالا بهترین مواد جهت ساخت وسایل ضد ضربه به ویژه جلیقههای ضدگلوله هستند.
نانولولههای کربنی به دلیل خواص فوقالعاده مکانیکی و الکتریکی از سال 1991 که توسط ایجیما[4] کشف شده اند]4[؛ در کانون توجه محققان در سرتاسر جهان قرارگرفتهاند و کارهای بسیار وسیعی در حوزه های مختلف در مورد این مواد صورت گرفته است. پس از کشف نانولولههای کربنی محققین به انجام آزمایش بر روی این ساختار روی آوردهاند؛ اما صرف هزینه های بسیار زیاد برای انجام این آزمایشها محققان را بر آن داشت تا با بهره گرفتن از روشهای مختلف کامپیوتری به شبیهسازی رفتارهای مختلف این ماده بپردازند. از مهمترین این روشها میتوان به روشهای آبینیشیو[5] و شبیهسازی دینامیک مولکولی[6] اشاره کرد. البته لازم به ذکر است که روش دینامیک مولکولی دارای دقت بسیار بالایی است؛ اما استفاده از آن نیاز به وقت و هزینه های زیادی دارد و بکارگیری آن برای همه مقدور نیست. این امر سبب شد تا محققین همچنان به دنبال روشی جامع و مطمئن باشند تا به وسیله آن بتوان نانولولههای کربنی را تحت بارگذاریها و شرایط مرزی مختلف مورد بررسی قرارداد.
از این رو در سال 2002 استفاده از خصوصیات ساختاری برای مدلسازی نانوساختارها پیشنهاد شد]5[. در طی سالهای گذشته مدلهای مکانیک ساختاری تکامل یافته است؛ اما در تمامی مدلهایی که تاکنون ارائه شده است کاستیها و معایبی وجود دارد. در این پروژه با بهره گرفتن از مدل مکانیک ساختاری رفتار نانولوله تحت ضربه بالستیک بررسی شده و پارامترهای مهم در جذب انرژی مورد مطالعه قرار میگیرد]6[.
بر این اساس در فصلهای بعد ابتدا مروری بر کارهای انجامشده در زمینه شبیهسازی نانولولهها و پدیده ضربه روی این مواد صورت گرفته، سپس مقدمهای از نانولوله کربنی و شیوه های مدلسازی آن ها گفته شده و در ادامه به معرفی مدل استفاده شده در این پایان نامه و چگونگی ایجاد آن در نرمافزار آباکوس [7] پرداخته شده است. در انتها نیز رفتار نانولوله کربنی تحت ضربه بررسی و نتایج حاصل از آن با نتایج حاصل از مدلهای معتبر دیگر مقایسه شده است.
تعداد صفحه : 114
قیمت :14700 تومان
بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد
و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.
پشتیبانی سایت : * serderehi@gmail.com
در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.
14,700 تومانافزودن به سبد خرید