18729

2099 دكتري

دكتري

طراحي كاربردي-مكانيك جامدات

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1402

يازده، 79ص. : مصور، جدول، نمودار

1402/06/13

كتابنامه

مهندسي مكانيك

مهندسي مكانيك

1402/06/14

2959247

پيشرفت¬هاي اخير در فناوري ليتوگرافي و فناوري توليد مواد افزودني ( از جمله گسترش پرينترهاي سه بعدي) امكان ساخت آسان مواد خاص با ريزساختارهاي پيچيده را فراهم مي¬كند. اين مواد كه اصطلاحا "مواد طراحي شده" ناميده مي¬شوند، فرصت¬هاي جديدي براي توسعه مواد فراهم مي¬آوردند. پليمرهاي حافظه¬دار به عنوان مواد هوشمند و فراموادمكانيكي با سطوح كمينه متناوب سه¬گانه (TPMS)، به دليل ويژگي¬هاي مفيدشان در صنعت و زمينه¬هاي علوم نوين شناخته شده¬اند. به عنوان مثال، از طريق طراحي سازه‌هاي TMPS، معماري‌هاي متخلخل بسيار به هم پيوسته با وزن كم و مساحت سطح بالا قابل دستيابي هستند كه به عنوان پارامترهاي كليدي در زمينه‌هاي مختلف از جمله انتقال حرارت و مهندسي بافت شناخته مي‌شوند. علاوه بر اين، پليمرهاي حافظه¬دار نوعي از مواد حافظه¬شكل قابل برنامه¬ريزي هستند كه توانايي بازيابي شكل دائمي خود يا توليد نيرو را دارند. تركيب اين ويژگي‌ها با ساخت فرامواد TPMS مبتني بر پليمرهاي حافظه¬دار، براي بررسي رفتارهاي ويژه احتمالي امكان‌پذير است. يكي از بزرگ¬ترين چالش¬هاي فعلي در مورد پليمرهاي حافظه دار، زمان پاسخ¬دهي بالا به محرك¬هاي خارجي در آن¬ها است كه مي¬تواند به رسانايي حرارتي پايين نسبت داده شود. با افزايش نسبت سطح به حجم، هدايت حرارتي افزايش مي¬يابد و پاسخ سريع¬تر مي¬شود. در اين مطالعه، نرخ دما به عنوان معياري براي سرعت عملكرد حافظه-داري و بر اساس تحليل حرارتي معرفي شد و رفتار حرارتي، مكانيكي وحافظه شكلي 8 نوع ساختار TPMS در طيف وسيعي از كسرهاي حجمي فاز جامد كه شامل حداقل تا حداكثر كسرحجمي¬هاي موجود براي هر نوع سازه است (يعني %35-65)، مورد مطالعه قرار گرفت. در مرحله بعد، براي داشتن بهترين عملكرد هم¬زمان، با توجه به جنس و ساختار، سه نوع تحليل مختلف شامل تحليل مكانيكي، حرارتي و ترمومكانيكي (پاسخ حافظه شكل) انجام شد. با مقايسه و كنار هم قرار دادن نتايج تمامي اين تحليل‌ها، سعي شد ساختاري با بهترين عملكرد هم¬زمان از هر سه جنبه تحليلي پيدا شود. در تجزيه و تحليل ترمومكانيكي، بازيابي شكل، بازيابي نيرو و درصد تثبيت شكل به عنوان ويژگي¬هاي حافظه شكل در نظر گرفته شد. براي اين منظور، سازه¬ها با استفاده از معادلات سازنده ترمو ويسكو-هايپرالاستيك شبيه سازي شدند. همچنين نرخ دما و مدول الاستيك به ترتيب به عنوان معرف خواص حرارتي و مكانيكي در نظر گرفته شدند. نتايج اين مطالعه نشان داد كه بهترين حافظه شكل و رفتارهاي مكانيكي متعلق به ساختار Primitive در تمام كسرهاي حجمي مختلف است و بهترين عملكرد كلي براي ساختارهاي مختلف TPMS از جمله بهترين رفتار حرارتي، مكانيكي و ترمومكانيكي در كسر حجمي %40 به دست مي‌آيد و در اين حالت FKS بهترين رفتار را داشته و بقيه ساختارها به ترتيب FRD، Diamond، Diamond-type2، Gyroid، IWP، Primitive، Neovius مرتب مي¬شوند. نتايج نشان داد كه طراحي هندسي و كسرحجمي سازه به شدت بر رفتار مكانيكي، حرارتي و حافظه شكل تأثير مي¬گذارد. ساختارهاي TPMS ساخته شده از پليمر حافظه¬دار را مي¬توان در زمينه¬هاي مختلف استفاده كرد و با توجه به الزامات و كاربرد مربوطه، يك هندسه و كسرحجمي خاص را انتخاب كرد. طيف وسيعي از هندسه¬ها و كسرهاي حجمي اين ساختارها در اين مطالعه به طور جامع مورد بررسي قرار گرفته كه مي¬توانند به عنوان راهنماي عملي براي انتخاب نوع ساختار مناسب براي كاربردهاي خاص استفاده شود.

Shape memory polymers (SMPs) as smart materials and Triply periodic minimal surfaces (TPMS) as mechanical metamaterials are known for their beneficial attributes in industrial fields and novel scientific. In this research, the thermal, mechanical, and shape memory behavior of 8 SMP-based TPMS structures has been studied in four different volume fractions (VFs), which include the minimum to maximum available VFs for each type of structure (i.e., 35-65%). Next, in order to have the best simultaneous performance due to the material and the structure, three different types of analysis were performed including the mechanical, thermal and thermomechanical (shape memory response) analysis. Comparing and putting together the results of all these analyses, it was attempted to find the structure with the best simultaneous performance from all these three analysis aspects. In the thermomechanical analysis, the structures were simulated using thermo-visco-hyperelastic constitutive equations. Results of this study indicate that the best thermal, mechanical, and thermomechanical behavior accrues at VF=40% and is sorted as FKS> FRD> Diamond> Diamond-type 2> Gyroid> IWP> Primitive> Neovius. A wide range of TPMS geometries and VFs that have been comprehensively studied in this study can be used as a practical guide to select the type of suitable structure for specific applications.

عليرضا شهيدي ريزي , مصطفي باغاني

مجيد بني اسدي

محمد سيلاني , پيمان مصدق , جمال ارغواني هادي , مجيد صفرآبادي فراهاني