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 پتانسیل مورس اصلاح شده. 9

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

4-1 توابع پتانسیل 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 استفاده از تابع پتانسیل مورس اصلاح شده. 22

5-1-2 فرمولاسیون با استفاده 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)

شکل 1-1. بردار کایرال در نمای شماتیک ساختار نانولوله کربن.. 5

شکل 2-1. الگوهای ساختاری آرمچیر، زیگزاگ و کایرال. 6

شکل 3-1. نمایش ترمهای انرژی در صفحه ی گرافیتی.. 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 استفاده از مدل سازی با نرم افزار لمپس… 62

نمودار 2-4. نمودار تنش – کرنش نانولوله تک جداره زیگزاگ (0و17) با استفاده 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 استفاده از روش تلفیقی و مدل سازی نرم افزاری.. 64

 

 

 

فصل اول

(مقدمه)

 

1-1 مقدمه

پس از اولین آزمایش عملی در سال 1991 توسط ایجیما 1 ]1[ بر روی نانولوله­های کربن، اکثر توجهات به سمت این مواد و تخمین خواص مختلفشان کشیده شد. خواص مکانیکی بسیار بالا در مقابل وزن پائین، خواص الکتریکی و حرارتی عالی، از جمله خصوصیات منحصر به فردی هستند که نانولوله­های کربن را تبدیل به ساختارهایی بی بدیل در دنیای امروز و کانون توجه انواع علوم مهندسی به خصوص مهندسی مکانیک نموده اند. تحلیل مکانیک ساختاری این مواد و تخمین خواص مکانیکی آنها با استفاده از روشها و ایده­های مختلف تا به امروز همواره مورد توجه محققین بوده است. نتایج کلی­ این گونه نشان می دهد که از نظر مکانیکی نانولوله­های کربن مقاومت کششی در حدود 20 برابر فولادی با بالاترین مقاومت کششی در طبیعت و نیز مدول الاستیسیته (مدول یانگ) در حد تراپاسکال (TPa) را دارند. البته این خواص فوق العاده یک توجیه علمی مشخص نیز دارد و آن هم به دلیل هیبرید SP2 بسیار قوی پیوند کربن کربن در این ساختار است که قوی ترین نوع پیوند در طبیعت نیز می باشد. شخصی به نام کیان 2 ]2[ اخیراً گزارش داده که اضافه نمودن تنها 1 درصد وزنی نانولوله کربن، باعث افزایش 25 درصدی مقاومت کششی فیلمهای کامپوزیتی زمینه پلی­استیرن می شود. در تخمین خصوصیات نانولوله­های کربن بسیاری از محققین از مدلهای محیط پیوسته، بخصوص مدل ورق پوسته­ای که با ساختار هندسی نانولوله­ها نیز تطابق خوبی دارد، استفاده کرده­اند. اگر چه این تئوریها محدودیتهایی را نیز به همراه دارند اما نتایج خوبی را در مقایسه با نتایج کارهای عملی و آزمایشگاهی از خود نشان داده اند، ضمن آنکه نسبت به سایر روشها بکارگیری آنها آسان­تر می­باشد. در حالت کلی اندازه­گیری خواص نانولوله­های کربن به صورت عملی و آزمایشگاهی در ابعاد نانو کاری بسیار دشوار و هزینه بر است.

————————————-

  • Iijima
  • Qian

البته طی سالهای اخیر یک ابزار بسیار قوی جهت تخمین و بررسی خواص مکانیکی نانولوله­ها با دقت بسیار بالا مورد استفاده قرار گرفته است که شبیه سازی به روش دینامیک مولکولی 1 نام دارد. این روش ابزار مناسبی برای رها شدن از دشواریهای روش تجربی و تایید نتایج به دست آمده توسط تئوریهای تحلیلی می باشد. تحقیقات انجام گرفته بر روی نانولوله­های کربن به دلیل خواص فوق العاده­ی گزارش شده آنها، متعدد و گوناگون می باشد. افراد مختلف همواره سعی نموده اند که با تئوریهای جدید و روشهای ساده­تر به نتایج دقیق­تری دست پیدا کنند. بر این اساس خصوصیاتی همچون مدول یانگ، ضریب پواسون، روابط تنش-کرنش و مقادیر آنها، تنش ماکزیمم، کرنش شکست و… همواره مد نظر محققین بوده است. اولین آزمایش برای اندازه­گیری مدول الاستیسیته در نانولوله کربن چند دیواره مقدار 9/0 ± 8/1 TPa را نتیجه داد ]3[ و پس از آن وانگ 2 ]4[  مقدار کمی کمتر 59/0 ± 28/1 TPa را گزارش کرد. یو 3 ]5[ مقاومت کششی و مدول یانگ نانولوله کربن تک دیواره را به ترتیب در بازه ی: 63 – 11 GPa و 95/0– 27/0 TPa یافت. کریشنان 4 ]6[ نیز مدول الاستیک نانولوله کربن تک دیواره را در محدوده ی قطر 5/1 – 1 nm برای 27 نانولوله در حدود 25/1 TPa اندازه گرفت. لو 5 ]8و7[ و لییر 6 ]9[ نیز به ترتیب با مدلهای ثابت نیروی تجربی 7 و محاسبات اصول اولیه 8 مدول یانگ را 97/0 و 1 TPa به دست آورده اند. همه­ نتایج فوق حتی با در نظر گرفتن خطای آنها نشان می دهند که خواص مکانیکی نانولوله­های کربن بسیار بالاست.

 

———————————————-

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

از دیگر کارهای انجام شده می توان به تحقیقات سری واستاوا 9 ]10[ برای نانولوله کربن (0و8) با استفاده از روش دینامیک مولکولی اشاره نمود که نشان داده است این ساختار می تواند تا 12درصد فشرده شود و تحت چنین محدودیت الاستیکی، تنش در رنج 125 – 110 GPa می­باشد. در سالهای اخیر اکثر تحقیقات بر روی بارگذاری فشاری و ترکیبی به منظور بررسی کمانش ساختار نانولوله­ها متمرکز شده اند و بدین منظور کارهای انجام گرفته بر روی بارگذاری کششی بسیار محدود می باشد. از آنجا که نتایج بارگذاریهای فشاری و کششی در نانولوله­های کربن کاملاً متفاوتند (به دلیل اثر بر هم کنشهای دافعه و جاذبه در این ساختارها که ماهیت و مقدار متفاوتی دارند)، بنابراین همچنان کارهای تحقیقاتی بر روی این ساختارها تحت بار کششی مطلوب محققین بوده و هم اکنون نیز در حال بررسی می باشد.

در اینجا کمی بیشتر به جزئیات هندسی و آشنایی با اساس روشهای مختلف به کار گرفته شده جهت تخمین خواص مکانیکی نانولوله­های کربن می پردازیم. از نظر ساختاری نانولوله­های کربن در حالت کلی به دو دسته­ی کلی تقسیم می شوند که عبارتند از نانولوله­های کربن تک دیواره 1 و نانولوله­های کربن چند دیواره 2. یک نانولوله­ی کربنی تک جداره می­تواند از نظر شماتیکی ناشی از خم شدن یک ورقه­ی گرافیتی و تبدیل شدن آن به یک لوله استوانه­ای باشد و یک نانولوله کربنی چند جداره مجموعه­ای از نانولوله­های کربنی تک جداره هم مرکز و هم راستا است که درون یکدیگر قرار گرفته­اند. راستای تا خوردن و خم شدن ورقه گرافیتی، توسط برداری به نام کایرال 3 یا Ch(n,m) تعریف می­گردد. شکل 1-1 نمایانگر این بردار در ساختار نانولوله می باشد. با استفاده از این بردار می­توان انواع چیدمانهای ساختار اتمی را تعریف نمود.

 

———————————————-

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

بر این اساس بردار (n,n) معرف چیدمان آرمچیر1، بردار (n,0) معرف چیدمان زیگزاگ2 و کلی­ترین حالت بردار (n,m) است که معرف چیدمان کایرال می باشد.

 

شکل 1-1. بردار کایرال در نمای شماتیک ساختار نانولوله کربن

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. چیدمانهای معرفی شده­ی فوق از ساختار اتمی نانولوله کربن، در شکل 2-1 می توان ملاحظه نمود. نتایج بررسیها نشان می دهند که هم خواص مکانیکی و هم الکتریکی نانو لوله­های کربن به شدت به این چیدمانها وابسته است.

 

————————————-

  • Armchair
  • Zigzag

 

شکل 2-1. الگوهای ساختاری آرمچیر، زیگزاگ و کایرال

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

DSWCNT =                                                                          (1-1)

که در رابطه­ی 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. رابطه­ی 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 دینامیک مولکولی بر اساس بیان انرژیهای پیوندی و بر هم کنشهای اتمی استوار است. در این روش معمولاً پیوندهای شیمیایی، به صورت المانهای دارای انرژی در نظر گرفته می­شوند که اتمها به آنها متصل می­باشند. در بعضی از شبیه سازیها حتی پیوندهای شیمیایی را به صورت المان تیر 1 در نظر گرفته­اند که می­تواند تحت کشش و خمش قرار گیرد. همه این فرضیات جهت ساده­سازی به کار می­رود و هیچ کدام دقیقاً منطبق با واقعیت پیوند شیمیایی نیستند.

در مبحث دینامیک مولکولی انرژی پتانسیل بین اتمی کل سیستم مولکولی، مجموع چند ترم خاص از انرژیهای پیوندی و بر هم کنشهای غیر پیوندی می باشد که به صورت زیر تعریف می شود:

 

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

Uρ = انرژی پیوندی ناشی از کشش پیوند

Uθ = انرژی پیوندی ناشی از تغییر زاویه ی پیوند با پیوند همسایه

Uw = انرژی پیوندی معکوس

Uτ = انرژی پیوندی پیچشی

UVdw = انرژی غیر پیوندی حاصل از بر هم کنش نیروهای وان در والس

Ues = انرژی غیر پیوندی ناشی از بر هم کنش نیروهای الکترواستاتیکی

 

شکل 3-1]2[ به خوبی معرف همه ی ترمهای انرژی در فوق می باشد که به صورت درجه آزادی حرکت مولکولها نمایش داده شده است.

 

———————————————-

  • Beam element

شکل 3-1. نمایش ترمهای انرژی در صفحه ی گرافیتی

در حالت کلی انرژیهای ناشی از بر هم کنشهای غیر پیوندی (UVdwو Ues)، در برابر انرژیهای پیوندی مقادیر ناچیزی دارند و اکثراً در محاسبات از آنها در برابر سایر ترمها صرف نظر می­گردد. در بین انرژیهای پیوندی نیز هنگامی که تغییر شکلها و انحرافات نانولوله کربن تک دیواره کوچک می­باشند، ترمهای انرژی معکوس 1 و پیچش 2 به نسبت دو ترم دیگر مقدار کمی دارند و از آنها نیز می توان صرف نظر کرد. پس از این ساده سازیها در نهایت ترمهای غالب، انرژی­های پتانسیل کششی و تغییر زاویه می باشند. بنابراین تحت تغییر شکلهای کوچک تابع انرژی کل را می­توان به صورت زیر تخمین زد:

Etot ≈ Uρ + Uθ =                                     (5-1)

Ki = ثابت نیرو در اثر کشش

Cj = ثابت نیرو در اثر تغییر زاویه

dRi = تغییر طول پیوند

j = تغییر زاویه ی پیوند

———————————————-

  • Inversion
  • Torsion

توابع پتانسیل انرژی بین اتمی، توابع پیشنهادی توسط محققین هستند که به جای ترمهای انرژی معرفی شده در فوق، در تئوری دینامیک مولکولی جهت شبیه سازی به کار می­روند. در حالت کلی 2 نوع پتانسیل بین اتمی داریم: پتانسیل­های دو تایی 1 و چند پیکری ‌2. تفاوت اصلی آنها در مد نظر قرار دادن نیروهای بر هم کنش غیر پیوندی بین اتمی توسط پتانسیل چند پیکری است. در کل، پتانسیل­های چند پیکری نسبت به دو تایی­ها خصوصاً در تغییر شکلهای مولکولی بزرگ، توابع پتانسیل سودمندتری می باشند. در چنین مواردی بر هم کنشهای بزرگی در اثر انحرافات زیاد اتمها از حالت تعادل رخ می دهد و پتانسیل­های چند پیکری با استفاده از یک تابع جدا کننده 3 ارتباط پتانسیل اتمی را با نزدیک ترین همسایه­ی آن قطع می کنند. انتخاب تابع پتانسیل مناسب در تحقیق مورد نظر یکی از پارامترهای بسیار کلیدی است که تعیین کننده­ی دقت نتایج حاصله در شبیه سازی دینامیک مولکولی می باشد. در اینجا نمونه­هایی از توابع پتانسیل رایج را در تحقیقات علمی معرفی می­کنیم:

تعداد صفحه :90

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

پشتیبانی سایت :               info@elmyar.net

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.

--  --

پایان نامه ها

 

مطالب مشابه را هم ببینید

Categories: رشته مکانیک

Related Posts

رشته مکانیک

پایان نامه با موضوع:تحلیل آسیب پیشرو در اتصالات پینی مواد کامپوزیتی

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی مکانیک گرایش :طراحی کاربردی عنوان : تحلیل آسیب پیشرو در اتصالات پینی مواد کامپوزیتی  مطالب مشابه را هم ببینید دانلود پایان نامه ارشد رشته مکانیک : روشهای Read more…

رشته مکانیک

دانلود پایان نامه:ارائه مدل حرارتی برای ساختمان پوشش سپر حرارتی تیغه توربین گازی

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی مکانیک گرایش :تبدیل انرژی عنوان : ارائه مدل حرارتی برای ساختمان پوشش سپر حرارتی تیغه توربین گازی مطالب مشابه را هم ببینید پایان نامه کارشناسی ارشد مکاترونیک Read more…

رشته مکانیک

پایان نامه ارشد:مدل‌سازی عددی جریان سیال غیرنیوتونی قاعده توانی و تأثیر گام طولی و عرضی بر عملکرد مبدل حرارتی

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی مکانیک گرایش :تبدیل انرژی عنوان : مدل‌سازی عددی جریان سیال غیرنیوتونی قاعده توانی و تأثیر گام طولی و عرضی بر عملکرد مبدل حرارتی مطالب مشابه را هم Read more…