دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مکانیک

گرایش :طراحی کاربردی

عنوان : تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانولوله­های کربنی تحت بارگذاری کششی

دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی

پایان نامه کارشناسی ارشد

مهندسی مکانیک – طراحی کاربردی

عنوان پایان نامه:

تحلیل تنش، تخمین رفتار و خواص الاستیک نانولوله­های کربنی تحت بارگذاری کششی

استاد راهنما:

دکتر علی شکوه­ فر

شهریور ماه 1389

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(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)

فهرست مطالب

 

فصل اول (مقدمه)

1-1 مقدمه. 2

2-1 تابع پتانسيل مورس اصلاح شده. 9

3-1 توابع پتانسيل ترسوف- برنر و ترسوف.. 11

4-1 توابع پتانسيل نسل دوم مرتبه پیوند تجربی واکنشی و لنارد جونز 6-12   12

فصل دوم (تخمین مدول الاستیک)

1-2 فرمولاسیون مرجع. 18

1-1-2 پتانسیل انرژی.. 20

2-1-2 تابع پتانسیل مورس اصلاح شده. 20

3-1-2 تابع پتانسیل ترسوف.. 21

4-1-2 فرمولاسیون با بهره گرفتن از تابع پتانسیل مورس اصلاح شده. 22

5-1-2 فرمولاسیون با بهره گرفتن از تابع پتانسیل ترسوف.. 23

2-2 تحلیل ساختاری.. 24

1-2-2 اثر انحنا 31

2-2-2 ساختار آرمچیر. 31

3-2-2 ساختار زیگزاگ.. 32

3-2 نتایج و مباحث.. 35

فصل سوم (تخمین رفتار مکانیکی)

1-3 مقدمه. 42

2-3 فرمولاسیون مرجع. 42

3-3 تحلیل ساختاری.. 44

1-3-3 ساختار آرمچیر. 48

2-3-3 ساختار زیگزاگ.. 49

3-3-3 اثر انحنا 50

4-3 نتایج و مباحث.. 53

فصل چهارم (مدل سازی نرم افزاری)

1-4 مدل سازی.. 59

2-4 مباحث و نتایج. 61

فصل پنجم (نتیجه گیری و پیشنهادات)

نتیجه گیری و پیشنهادات.. 67

لیست مقالات ارائه شده. 70

فهرست مراجع. 71

 

 

 

 

فهرست نمودارها و اشکال

فصل اول (مقدمه)

شكل 1-1. بردار کایرال در نماي شماتيك ساختار نانولوله كربن.. 5

شكل 2-1. الگوهاي ساختاري آرمچیر، زیگزاگ و کایرال. 6

شكل 3-1. نمايش ترمهاي انرژي در صفحه ي گرافيتي.. 8

فصل دوم (تخمین مدول الاستیک)

شکل 1-2. صفحه ی گرافیتی (گرافین) تک جداره تحت تنش کششی.. 24

شکل 2-2. راستای طولی نانولوله تک جداره آرمچیر. 25

شکل 3-2. تحلیل نیرویی پیوند کربن – کربن در راستای طولی نانولوله کربنی تک جداره آرمچیر. 26

شکل 4-2. راستای طولی نانولوله تک جداره زیگزاگ.. 28

شکل 5-2. تحلیل نیرویی پیوندهای کربن – کربن در راستای طولی نانولوله کربنی تک جداره زیگزاگ.. 29

شکل 6-2. اثر انحنا در تحلیل نیرویی نانولوله تک جداره آرمچیر. 31

شکل 7-2. اثر انحنا در تحلیل نیرویی نانولوله تک جداره زیگزاگ.. 32

نمودار 1-2. نمودار تغییرات مدول الاستیک نانولوله تک جداره آرمچیر بر حسب تغییرات قطر. 35

نمودار 2-2. نمودار تغییرات مدول الاستیک نانولوله تک جداره زیگزاگ بر حسب تغییرات قطر. 36

نمودار 3-2. مقایسه تغییرات مدول بر حسب قطر دو ساختار آرمچیر و زیگزاگ.. 37

نمودار 4-2. نمودار تغییرات مدول الاستیک بر حسب تغییرات ضخامت نانولوله آرمچیر (10و10) 38

نمودار 5-2. نمودار تغییرات مدول الاستیک بر حسب ضخامت نانولوله زیگزاگ (0و17) 38

فصل سوم (تخمین رفتار مکانیکی)

نمودار 1-3. نمودار تنش – کرنش نانولوله تک جداره آرمچیر (10و10) 53

نمودار 2-3. نمودار تنش – کرنش نانولوله تک جداره زیگزاگ (0و17) 54

نمودار 3-3. نمودار تغییرات تنش نانولوله­های تک جداره آرمچیر با اندیس نانولوله. 56

نمودار 4-3. نمودار تغییرات تنش نانولوله­های تک جداره زیگزاگ با اندیس نانولوله. 57

فصل چهارم (مدل سازی نرم افزاری)

نمودار 1-4. نمودار تنش – کرنش نانولوله تک جداره آرمچیر (10و10) با بهره گرفتن از مدل سازی با نرم افزار لمپس… 62

نمودار 2-4. نمودار تنش – کرنش نانولوله تک جداره زیگزاگ (0و17) با بهره گرفتن از مدل سازی با نرم افزار لمپس… 62

شکل 1-4. شروع شکسته شدن اولین پیوند و رخ دادن تغییر شکل در ساختار نانولوله کربن تک جداره. 63

 

فهرست جداول

جدول 1-2. مقایسه مدول الاستیک این تحقیق با مدول الاستیک سایر کارهای مشابه با ضخامتهای مختلف برای نانولوله تک جداره زیگزاگ (0و17) 40

جدول 1-4. مقایسه ی مدول الاستیک نانولوله­های کربن تک جداره با بهره گرفتن از روش تلفیقی و مدل سازی نرم افزاری.. 64

 

 

 

فصل اول

(مقدمه)

 

1-1 مقدمه

پس از اولين آزمايش عملي در سال 1991 توسط ایجیما 1 ]1[ بر روي نانولوله­هاي كربن، اكثر توجهات به سمت اين مواد و تخمين خواص مختلفشان كشيده شد. خواص مكانيكي بسيار بالا در مقابل وزن پائين، خواص الكتريكي و حرارتي عالي، از جمله خصوصيات منحصر به فردي هستند كه نانولوله­هاي كربن را تبديل به ساختارهايي بي بديل در دنياي امروز و كانون توجه انواع علوم مهندسي به خصوص مهندسي مكانيك نموده اند. تحليل مكانيك ساختاري اين مواد و تخمين خواص مكانيكي آنها با بهره گرفتن از روشها و ايده­هاي مختلف تا به امروز همواره مورد توجه محققين بوده است. نتايج كلی­ اين گونه نشان مي دهد كه از نظر مكانيكي نانولوله­هاي كربن مقاومت كششي در حدود 20 برابر فولادي با بالاترين مقاومت كششي در طبيعت و نيز مدول الاستيسيته (مدول يانگ) در حد تراپاسكال (TPa) را دارند. البته اين خواص فوق العاده يك توجيه علمي مشخص نيز دارد و آن هم به دليل هيبريد SP2 بسيار قوي پيوند كربن كربن در اين ساختار است كه قوي ترين نوع پيوند در طبيعت نيز مي باشد. شخصي به نام کیان 2 ]2[ اخيراً گزارش داده كه اضافه نمودن تنها 1 درصد وزني نانولوله كربن، باعث افزايش 25 درصدی مقاومت كششي فيلمهاي كامپوزيتي زمينه پلي­استيرن مي شود. در تخمين خصوصيات نانولوله­هاي كربن بسياري از محققين از مدلهاي محيط پيوسته، بخصوص مدل ورق پوسته­اي كه با ساختار هندسي نانولوله­ها نيز تطابق خوبي دارد، استفاده كرده­اند. اگر چه اين تئوريها محدوديتهايي را نيز به همراه دارند اما نتايج خوبي را در مقايسه با نتايج كارهاي عملي و آزمايشگاهي از خود نشان داده اند، ضمن آنكه نسبت به ساير روشها بكارگيري آنها آسان­تر مي­باشد. در حالت كلي اندازه­گيري خواص نانولوله­هاي كربن به صورت عملي و آزمايشگاهي در ابعاد نانو كاري بسيار دشوار و هزينه بر است.

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیردبلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد—–

  • Iijima
  • Qian

البته طي سالهاي اخير يك ابزار بسيار قوي جهت تخمين و بررسي خواص مكانيكي نانولوله­ها با دقت بسيار بالا مورد استفاده قرار گرفته است كه شبيه سازي به روش ديناميك مولكولي 1 نام دارد. اين روش ابزار مناسبي براي رها شدن از دشواريهاي روش تجربي و تاييد نتايج به دست آمده توسط تئوريهاي تحليلي مي باشد. تحقيقات انجام گرفته بر روي نانولوله­هاي كربن به دليل خواص فوق العاده­ي گزارش شده آنها، متعدد و گوناگون مي باشد. افراد مختلف همواره سعي نموده اند كه با تئوريهاي جديد و روشهاي ساده­تر به نتايج دقيق­تري دست پيدا كنند. بر اين اساس خصوصياتي همچون مدول يانگ، ضريب پواسون، روابط تنش-كرنش و مقادير آنها، تنش ماكزيمم، كرنش شكست و… همواره مد نظر محققين بوده است. اولين آزمايش براي اندازه­گيري مدول الاستيسيته در نانولوله كربن چند ديواره مقدار 9/0 ± 8/1 TPa را نتيجه داد ]3[ و پس از آن وانگ 2 ]4[  مقدار كمي كمتر 59/0 ± 28/1 TPa را گزارش كرد. یو 3 ]5[ مقاومت كششي و مدول يانگ نانولوله كربن تك ديواره را به ترتيب در بازه ي: 63 – 11 GPa و 95/0– 27/0 TPa يافت. کریشنان 4 ]6[ نيز مدول الاستيك نانولوله كربن تك ديواره را در محدوده ي قطر 5/1 – 1 nm براي 27 نانولوله در حدود 25/1 TPa اندازه گرفت. لو 5 ]8و7[ و لییر 6 ]9[ نيز به ترتيب با مدلهاي ثابت نیروی تجربی 7 و محاسبات اصول اولیه 8 مدول يانگ را 97/0 و 1 TPa به دست آورده اند. همه­ نتايج فوق حتي با در نظر گرفتن خطاي آنها نشان مي دهند كه خواص مكانيكي نانولوله­هاي كربن بسيار بالاست.

 

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیردبلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد————–

  • Molecular Dynamic (MD)
  • Wong
  • Yu
  • Krishnan
  • Lu
  • Lier
  • Emperical force Constant model
  • ab initio
  • Srivastava

از ديگر كارهاي انجام شده مي توان به تحقيقات سری واستاوا 9 ]10[ براي نانولوله كربن (0و8) با بهره گرفتن از روش ديناميك مولكولي اشاره نمود كه نشان داده است اين ساختار مي تواند تا 12درصد فشرده شود و تحت چنين محدوديت الاستيكي، تنش در رنج 125 – 110 GPa مي­باشد. در سالهاي اخير اكثر تحقيقات بر روي بارگذاري فشاري و تركيبي به منظور بررسي كمانش ساختار نانولوله­ها متمركز شده اند و بدين منظور كارهاي انجام گرفته بر روي بارگذاري كششي بسيار محدود مي باشد. از آنجا كه نتايج بارگذاريهاي فشاري و کششي در نانولوله­هاي كربن كاملاً متفاوتند (به دليل اثر بر هم كنشهاي دافعه و جاذبه در اين ساختارها كه ماهيت و مقدار متفاوتي دارند)، بنابراين همچنان كارهاي تحقيقاتي بر روي اين ساختارها تحت بار كششي مطلوب محققين بوده و هم اكنون نيز در حال بررسي مي باشد.

در اينجا كمي بيشتر به جزئيات هندسي و آشنايي با اساس روشهاي مختلف به كار گرفته شده جهت تخمين خواص مكانيكي نانولوله­هاي كربن مي پردازيم. از نظر ساختاري نانولوله­هاي كربن در حالت كلي به دو دسته­ی کلی تقسیم می شوند که عبارتند از نانولوله­های کربن تك ديواره 1 و نانولوله­های کربن چند ديواره 2. يك نانولوله­ی کربنی تک جداره مي­تواند از نظر شماتيكي ناشي از خم شدن يك ورقه­ي گرافيتي و تبديل شدن آن به يك لوله استوانه­اي باشد و يك نانولوله کربنی چند جداره مجموعه­اي از نانولوله­های کربنی تک جداره هم مركز و هم راستا است كه درون يكديگر قرار گرفته­اند. راستاي تا خوردن و خم شدن ورقه گرافيتي، توسط برداري به نام کایرال 3 يا Ch(n,m) تعريف مي­گردد. شكل 1-1 نمايانگر اين بردار در ساختار نانولوله مي باشد. با بهره گرفتن از اين بردار مي­توان انواع چيدمانهاي ساختار اتمي را تعريف نمود.

 

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیردبلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد————–

  • Single walled carbon nano tube (SWCNT)
  • Multi walled carbon nano tube (MWCNT)
  • Chiral

بر اين اساس بردار (n,n) معرف چيدمان آرمچیر1، بردار (n,0) معرف چيدمان زیگزاگ2 و كلي­ترين حالت بردار (n,m) است كه معرف چيدمان کایرال مي باشد.

 

شكل 1-1. بردار کایرال در نماي شماتيك ساختار نانولوله كربن

چیدمانهای ساختار اتمی نانولوله­های کربن را به گونه­ای دیگر نیز می­توان تعریف نمود. با تعریف زاویه  φ  به عنوان زاویه ی بردار کایرال خواهیم داشت:

زاویه ° = 0φ  معادل چیدمان زیگزاگ، زاویه ی= 30°  φ  معادل چیدمان آرمچیر و هر زاویه­ای بین این دو مقدار معرف چیدمان کایرال می­باشد. چيدمانهاي معرفي شده­ي فوق از ساختار اتمي نانولوله كربن، در شكل 2-1 مي توان ملاحظه نمود. نتايج بررسيها نشان مي دهند كه هم خواص مكانيكي و هم الكتريكي نانو لوله­هاي كربن به شدت به اين چيدمانها وابسته است.

 

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیردبلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد—–

  • Armchair
  • Zigzag

 

شكل 2-1. الگوهاي ساختاري آرمچیر، زیگزاگ و کایرال

ارتباط­ی قطر نانولوله­های کربن بر حسب اندیسهای آنها (n , m) در حالت کلی به صورت زیر می­باشد [10]:

DSWCNT =                                                                          (1-1)

که در ارتباط­ی فوق b معرف طول تعادلی پیوند کربن – کربن در ساختار نانولوله­های کربن بوده و مقدار آن از می­نیمم نمودن انرژی پتانسیل بین اتمی به دست می­آید که حدوداً 0.142 nm تخمین زده شده است. DSWCNT نیز معرف قطر نانولوله کربن تک دیواره بوده و n , m نیز اندیسهای نانولوله می­باشند. ارتباط­ی فوق را می توان برای دو چیدمان زیگزاگ و آرمچیر به صورت زیر نیز تعریف نمود:

Zigzag à n=n , m=0 à DSWCNT =                                                 (2-1)

Armchair à n=m à DSWCNT =                                                        (3-1)

در ادامه به معرفی یک ابزار قوی و کاربردی در تخمین خواص نانولوله­های کربن به نام دینامیک مولکولی می­پردازیم. روش ديناميك مولكولي بر اساس بيان انرژيهاي پيوندي و بر هم كنشهاي اتمي استوار است. در اين روش معمولاً پيوندهاي شيميايي، به صورت المانهاي داراي انرژي در نظر گرفته مي­شوند كه اتمها به آنها متصل مي­باشند. در بعضي از شبيه سازيها حتي پيوندهاي شيميايي را به صورت المان تير 1 در نظر گرفته­اند كه مي­تواند تحت كشش و خمش قرار گيرد. همه اين فرضيات جهت ساده­سازي به كار مي­رود و هيچ كدام دقيقاً منطبق با واقعيت پيوند شيميايي نيستند.

در مبحث ديناميك مولكولي انرژي پتانسيل بين اتمي كل سيستم مولكولي، مجموع چند ترم خاص از انرژيهاي پيوندي و بر هم كنشهاي غير پيوندي مي باشد كه به صورت زير تعريف مي شود:

 

Etot = Uρ + Uθ + Uw + Uτ + UVdw + Ues                                                    (4-1)

Uρ = انرژي پيوندي ناشي از كشش پيوند

Uθ = انرژي پيوندي ناشي از تغيير زاويه ي پيوند با پيوند همسايه

Uw = انرژي پيوندي معكوس

Uτ = انرژي پيوندي پيچشي

UVdw = انرژي غير پيوندي حاصل از بر هم كنش نيروهاي وان در والس

Ues = انرژي غير پيوندي ناشي از بر هم كنش نيروهاي الكترواستاتيكي

 

شكل 3-1]2[ به خوبي معرف همه ي ترمهاي انرژي در فوق مي باشد كه به صورت درجه آزادي حركت مولكولها نمايش داده شده است.

 

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیردبلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد————–

  • Beam element

شكل 3-1. نمايش ترمهاي انرژي در صفحه ي گرافيتي

در حالت كلي انرژيهاي ناشي از بر هم كنشهاي غير پيوندي (UVdwو Ues)، در برابر انرژيهاي پيوندي مقادير ناچيزي دارند و اكثراً در محاسبات از آنها در برابر ساير ترمها صرف نظر مي­گردد. در بين انرژيهاي پيوندي نيز هنگامي كه تغيير شكلها و انحرافات نانولوله كربن تك ديواره كوچك مي­باشند، ترمهاي انرژي معكوس 1 و پيچش 2 به نسبت دو ترم ديگر مقدار كمي دارند و از آنها نيز مي توان صرف نظر كرد. پس از اين ساده سازيها در نهايت ترمهاي غالب، انرژي­هاي پتانسيل كششي و تغيير زاويه مي باشند. بنابراين تحت تغيير شكلهاي كوچك تابع انرژي كل را مي­توان به صورت زير تخمين زد:

Etot ≈ Uρ + Uθ =                                     (5-1)

Ki = ثابت نيرو در اثر كشش

Cj = ثابت نيرو در اثر تغيير زاويه

dRi = تغيير طول پيوند

j = تغيير زاويه ي پيوند

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیردبلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد————–

  • Inversion
  • Torsion

توابع پتانسيل انرژي بين اتمي، توابع پيشنهادي توسط محققين هستند كه به جاي ترمهاي انرژي معرفي شده در فوق، در تئوري ديناميك مولكولي جهت شبيه سازي به كار مي­روند. در حالت كلي 2 نوع پتانسيل بين اتمي داريم: پتانسيل­هاي دو تایی 1 و چند پیکری ‌2. تفاوت اصلي آنها در مد نظر قرار دادن نيروهاي بر هم كنش غير پيوندي بين اتمي توسط پتانسيل چند پیکری است. در كل، پتانسيل­هاي چند پیکری نسبت به دو تایی­ها خصوصاً در تغيير شكلهاي مولكولي بزرگ، توابع پتانسيل سودمندتري مي باشند. در چنين مواردي بر هم كنشهاي بزرگي در اثر انحرافات زياد اتمها از حالت تعادل رخ مي دهد و پتانسيل­هاي چند پیکری با بهره گرفتن از يك تابع جدا كننده 3 ارتباط پتانسيل اتمي را با نزديك ترين همسايه­ي آن قطع مي كنند. انتخاب تابع پتانسيل مناسب در تحقيق مورد نظر يكي از پارامترهاي بسيار كليدي است كه تعيين كننده­ي دقت نتايج حاصله در شبيه سازي ديناميك مولكولي مي باشد. در اينجا نمونه­هايي از توابع پتانسيل رايج را در تحقيقات علمي معرفي مي­كنيم:

تعداد صفحه :90

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.

:        ****       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.

***  *** ***

جستجو در سایت : کلمه کلیدی خود را وارد نمایید :