توصيفگر ها :
مواد خودترميم , پليمر , آسيب محلي , آسيب غيرمحلي , آسيب موثر , بازدهي ترميم , زوال ماده
چكيده فارسي :
در سال¬هاي اخير مطالعات بر روي رفتار مواد هوشمند انجام شده است. گونه خاصي از اين نوع مواد، مواد خودترميم هستند كه قابليت ترميم خود‌به‌خودي در مقياس‌هاي نسبتا كوچك و ترميم غير‌خودبه‌خودي در مقياس‌هاي بزرگ‌تر را دارا هستند. اهميت بررسي اين‌گونه مواد در ساختارهايي مانند سفينه‌هاي فضايي و سازه‌هاي ساختماني كه نگه‌داري از آن‌ها سخت‌تر و پرهزينه‌تر است و يا دسترسي خوبي ندارند به‌راحتي نمايان است. مدل‌سازي رفتار مواد خودترميم پيش از استفاده از آن‌ها در ساختارها داراي اهميت زيادي است. شبيه‌سازي رفتار پليمرخودترميم در برنامه آباكوس با زيربرنامه‌هاي فرترن با استفاده از فرمول‌هاي مكانيك محيط پيوسته به‌عنوان نوآوري اين پايان‌نامه تعريف مي‌گردد. استفاده از نرم‌افزار تجاري آباكوس استاندارد در انجام اين شبيه‌سازي‌ها كمك كرده است. از آن‌جا كه رفتار ماده مورد بررسي به‌طور مستقيم در كتاب‌خانه معادلات متشكله مواد قرار ندارد، بنابراين رفتار ماده بايد به‌صورت زيربرنامه شبيه‌سازي گردد. شبيه‌سازي اين رفتار در اين تحقيق در چهارمرحله انجام شده است. رفتار ماده با خواص الاستيك، پلاستيك و سخت‌شوندگي با آسيب محلي(قبل از رسيدن به شكست ماده) همراه شده و در زيربرنامه UMAT پياده شده‌است. به‌علت استفاده از متغير آسيب به‌صورت متغير حالت، رفتار ماده تاحدودي به واقعيت نزديك شده، ولي مشخصا داراي مشكلاتي از جمله محلي شدن آسيب است. در قسمت دوم سعي شده است، كه براي كم اهميت كردن تاثير اندازه المان مش در جواب از شبيه‌سازي رفتار ماده با آسيب غيرمحلي كمك گرفته شود. مقايسه نتايج به‌دست آمده در اين قسمت با قسمت قبل نشان‌دهنده كوچك‌تر شدن اندازه آسيب در المان‌ها به‌علت ميانگين گرفته شدن با المان‌هاي اطراف است. در قسمت سوم خاصيت ترميم به‌صورت ضريب آسيب كه آسيب موثر را نتيجه مي‌دهد، ظاهر شده‌است. از آن‌جا كه در مواد خودترميم، آسيب بايد به مرحله‌اي برسد كه پوسته عامل ترميم را بشكند و ماده ترميم‌كننده را آزاد كند، در اين شبيه‌سازي از يك آسيب اوليه به‌عنوان آسيب بحراني مورد نياز شروع ترميم استفاده شده است. ازآن‌جا كه مقدار ترميم بيشينه، بي‌نهايت نيست و قابليت ترميم به اندازه مايع ترميم كننده در عامل ترميم و مقدار سطح جديد ايجاد شده در آسيب بستگي دارد، ترميم بايد داراي مقدار حداكثري باشد. ترميم به‌صورت خوش‌بينانه تمام خواص از دست رفته ماده تحت بارگذاري را بازگرداني مي‌كند. نتايج حاصله نشان مي‌دهد، در يك چرخه بارگذاري-باربرداري شيب نمودار تنش برحسب كرنش كه مدول موثر را نشان مي‌دهد نسبت‌به مقدار آسيب ديده اوليه كه درآن ترميم وارد نشده، در حال افزايش است. همچنين باتوجه به قوانين ترموديناميكي، آسيب و ترميم عوامل برگشت‌ناپذير خواهند بود و همواره در حال افزايش هستند، بنابراين آسيب موثر كه ترميم در آن ضرب شده است، مورد استفاده قرار گرفته و سرعت رشد آسيب كاهش يافته است. در قسمت آخر شبيه‌سازي كه به‌صورت چند‌الماني برروي ماده انجام شده، سعي شده است به‌جاي آسيب محلي، از آسيب غيرمحلي كه به واقعيت نزديك‌تر است، استفاده گردد. در اين شبيه‌سازي‌ها علاوه بر زيربرنامه UMAT، زيربرنامه‌هاي ديگري مانند HETVAL براي شبيه‌سازي و اصلاح كردن مقدار آسيب غيرمحلي در هرمرحله و زيربرنامه UEXTERNALDB براي استفاده از بلوك‌هاي مشترك براي برقرار كردن ارتباط دايم بين زيربرنامه UMAT و HETVAL استفاده شده است. نتيج حاصل از شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد، كه استفاده از آسيب غيرمحلي به‌همراه ترميم مي‌تواند به‌خوبي رفتار مواد پليمري خودترميم را مدل‌سازي كند. نتايج به‌خوبي با مراجع مورد نظر مطابقت داشته و ترميم وارد شده در معادلات با بازگرداني حدي خواص ماده روند زوال ماده را به‌تاخير مي‌اندازد، كه هدف نهايي انجام اين مدل‌سازي‌ها بوده است.
چكيده انگليسي :
In recent years, studies have been conducted on the behavior of intelligent (memory) materials. A special type of these types of materials is self-healing materials, which have the ability to repair spontaneously on relatively small scales and non-spontaneous repair on larger scales. The importance of examining such materials is easily apparent in structures that are more difficult, costly, or poorly accessible to maintain, such as spacecraft and building structures. A special type of material that is being researched a lot is composites, especially polymers, which have many advantages in structures compared to other materials. Consequently, modeling the behavior of self-healing materials before using them in structures takes priority. Using the commercial software of Abaqus standard has helped us to perform these simulations. Since the behavior of the material under study is not directly in the properties of the material of Abaqus Hence, the behavior of the material must be simulated as a step. The simulation of this behavior in this research has been done in four stages, with the point of view that initially the behavior of the material with elastic-plastic properties and hardening using the isotropic type, is associated with local damage (before the material fails) And under the UMAT Fortran program, which is linked to Abaqus, the program code is written. Because of the use of the damage variable as a state variable, the behavior of the material is somehow close to reality, however it clearly has problems such as localization of damage, and that is the reason why the simulation has begun in the second part. In the second part, an attempt is made to simulate the behavior of the material with non-local damage in order to minimize the effect of the size of the mesh element in response. By comparing the results obtained in this simulation with the previous part, important results have been obtained that the smaller amount of the damage in the elements because of the average being taken with surrounding elements according to its characteristic length. It has also been observed that the answers are closer to each other, which indicates that the size of the elements in the mesh has less importance. In the next part, the property of healing appears as a coefficient for damage that results in effective damage. Because in self-healing materials, the damage must reach a point where it breaks the shell of the healing agents and frees the healing, in this simulation an initial damage is named as the critical damage required to begin the healing. On the other hand, the amount of healing is not infinite and the ability to repair can be repaired as much as the size in it and according to the amount of new surface created in the damage. As a consequence, the amount of restoration should have a maximum that optimistically restores all the lost properties of the material under load, which takes a factor of one, and realistically will be a coefficient between zero (restoration start) and one (restoration of all lost properties). The results show that in a loading-unloading cycle, the slope of the stress-strain diagram, which shows the effective elastic modulus, is increasing comparing with the amount of slope of elastic modulus in initial damage where healing has not be started yet. Also, because of the laws of thermodynamics, where damage and repair will be irreversible and increasing, a new term called effective damage, in which repair is multiplied, has been used and the rate of damage growth has decreased. At last part which is performed on the material in several elements, instead of local damage, non-local damage causes effective damage in the formulas to bring the behavior of the material closer to reality.
