جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای آرین شهامت)
موضوع: شبیه‌سازی میکرومکانیکی پلیمرهای خودترمیم
ارائه دهنده: آرین شهامت
استادان راهنما: دکتر محمد سیلانی
استادان مشاور: دکتر مصطفی جمشیدیان
استادان داور: دکتر سعید ضیایی راد، دکتر مهدی سلمانی تهرانی
چکیده:
در سالهای اخیر مطالعات بر روی رفتار مواد هوشمند انجام شده است. گونه خاصی از این نوع مواد، مواد خودترمیم هستند که قابلیت ترمیم خودبخودی در مقیاس‌های نسبتا کوچک و ترمیم غیر خودبخودی در مقیاس‌های بزرگ‌تر را دارا هستند. اهمیت بررسی این گونه مواد در ساختارهایی مانند سفینه‌های فضایی و سازه‌های ساختمانی که نگه‌داری از آن‌ها سخت‌تر، پرهزینه‌تر است و یا دسترسی خوبی ندارند به‌راحتی نمایان است. کامپوزیت‌ها به‌ویژه پلیمرها گونه خاصی از مواد هستند، که تحقیقات زیادی راجع‌به آن‌ها صورت گرفته است و دارای نقاط قوت بسیاری در سازه‌ها نسبت‌به بقیه مواد هستند. به این علت، مدل‌سازی رفتار مواد خودترمیم پیش از استفاده از آن‌ها در ساختارها دارای اولویت است. استفاده از نرم افزار تجاری Abaqus standard در انجام این شبیه سازی‌ها کمک کرده است. از آنجا که رفتار ماده مورد بررسی به‌طور مستقیم در قسمت خواص ماده قرار ندارد، بنابراین رفتار ماده باید به‌صورت پله‌ای شبیه سازی گردد. شبیه سازی این رفتار در این تحقیق در چهار مرحله انجام شده است به این صورت که در ابتدا رفتار ماده با خواص الاستیک-پلاستیک و سخت شوندگی که از نوع همسانگرد استفاده شده است، با آسیب محلی(قبل از رسیدن به شکست ماده) همراه شده و در زیر برنامه UMAT فرترن که با Abaqus لینک شده کد برنامه نوشته شده است. به علت استفاده از متغیر آسیب به‌صورت متغیر حالت، رفتار ماده تاحدودی به واقعیت نزدیک شده، ولی مشخصا دارای مشکلاتی از جمله محلی شدن آسیب است و به همین دلیل است که شبیه سازی در قسمت دوم آغاز گردیده است. در قسمت دوم سعی شده است که برای کم اهمیت کردن تاثیر اندازه المان مش در جواب از شبیه سازی رفتار ماده با آسیب غیر محلی کمک گرفته شود. با مقایسه نتایج به‌دست آمده در این شبیه سازی با قسمت قبل نتایج مهمی حاصل شده که کوچک‌تر شدن اندازه آسیب در المان‌ها به‌علت میانگین گرفته شدن با المان‌های اطراف با توجه به طول مشخصه آن از جمله آن‌هاست. همچنین نزدیک‌تر شدن جواب‌ها به یکدیگر که نشان دهنده کم کردن اهمیت اندازه المان‌ها در مش است نیز دیده شده است. در قسمت سوم این شبیه سازی خاصیت ترمیم به صورت ضریبی برای آسیب که آسیب موثر را نتیجه می‌دهد، ظاهر شده است. از آنجا که در مواد خود ترمیم آسیب باید به مرحله‌ای برسد که پوسته عاملین ترمیم را بشکند و ماده ترمیم کننده را آزاد کند، در این شبیه سازی از یک آسیب اولیه به‌عنوان آسیب بحرانی مورد نیاز شروع ترمیم نام برده شده است. همچنین از طرفی مقدار ترمیم بی‌نهایت نیست و قابلیت ترمیم به اندازه مایع ترمیم کننده در عامل ترمیم و مقدار سطح جدید ایجاد شده در آسیب بستگی دارد. بنابراین مقدار ترمیم باید دارای حداکثر باشد که به‌صورت خوش بینانه تمام خواص از دست رفته ماده تحت بارگذاری را بازگردانی می‌کند که ضریب یک را می‌گیرد و به‌صورت واقع بینانه ضریبی بین صفر(شروع ترمیم) و یک (برگرداندن تمام خواص از بین رفته) خواهد بود. نتایج حاصله نشان می‌دهد در یک سیکل بارگذاری-باربرداری شیب نمودار تنش-کرنش که مدول موثر را نشان می‌دهد نسبت به مقدار آسیب دیده اولیه که ترمیم وارد نشده، در حال افزایش است. همچنین باتوجه به قوانین ترمودینامیکی که آسیب و ترمیم عوامل برگشت ناپذیر خواهند بود و در حال افزایش هستند، واژه جدیدی به نام آسیب موثر که ترمیم در آن ضرب شده است مورد استفاده قرار گرفته و سرعت رشد آسیب کاهش یافته است. در قسمت آخر شبیه سازی که به‌صورت چند المانی برروی ماده انجام شده، سعی شده است به جای آسیب محلی، آسیب غیر محلی به‌عنوان ضریبی در فرمول‌های آسیب موثر باشد که رفتار ماده به واقعیت نزدیک‌تر گردد. در این شبیه سازی‌ها علاوه بر زیر برنامه UMAT، زیر برنامه های دیگری مانند HETVAL برای شبیه سازی و اصلاح کردن مقدار آسیب غیرمحلی در هرمرحله و زیر برنامه UEXTERNALDB برای استفاده از بلوک‌های مشترک برای برقرار کردن ارتباط دایم بین زیر برنامه UMAT و HETVAL استفاده شده است. در نتیجه با به‌دست آوردن ضرایب دقیق هر قسمت از رفتار مواد مانند مدول الاستیک و ضریب پواسون در رفتار الاستیک ماده می‌تواد رفتار ماده را واقع بینانه تر شبیه سازی کرد. همچنین تابع ترمیم باید براساس تابع آسیب گسترش داده شده، گسترش داده شود و سخت‌شوندگی‌های مورد بررسی متناسب با ماده مورد نظر باشند. اگر تمامی موارد بالا به‌خوبی رعایت گردد، تقریب خوبی از مقدار بازدهی ترمیم ، افزایش عمر ماده و کند شدن روند زوال ماده در شبیه سازی انجام شده خواهیم داشت.
کلمات کلیدی: مواد حافظه دار، مواد خود ترمیم، پلیمرها، آسیب محلی، آسیب غیر محلی، ترمیم، آسیب موثر، بازدهی ترمیم، زوال ماده.