توصيفگر ها :
مواد زيست تقليد , استخوان قشري انسان , استئون , ساخت افزودني , پرينتر سه بعدي , الگوريتم ژنتيك , شبكه ي عصبي
چكيده فارسي :
در سالهاي اخير مطالعات بسياري بر روي ساختارهاي طبيعي و الگوي قرار گيري مواد تشكيل دهنده ي ان ها صورت گرفته است. بررسي ها
نشان مي دهد كه ارايش قرار گيري مواد اوليه ي تركيبات طبيعي ، تاثير به سزايي در بروز خو اص مكانيكي دارد. محققان درصدد استفاده
از اين الگوها به جهت بهبود خواص مكانيكي كامپوزيت هاي ساخته شده از مواد مصنوعي هستند. يكي از ساختارهاي منحصر به فرد جهت
الهام گيري، ساختار استخوان قشري انسان است. ساختار استخوان مقامت مناسبي در برابر انواع بارگذاري ها به ويژه بارگذاري پيچشي
دارد. مطالعات نشان مي دهد كه شكل هندسي و نحوه ي قرار گيري ماده ي نرم موجود در استخوان قشري تحت عنوان استئون، تاثير
به سزايي در بروز خواص مكانيكي از جمله خواص پيچشي دارد. هدف از انجام اين پروژه، الهام گيري از ساختار استخوان قشري انسان به
جهت ساخت كامپوزيت هاي مقاوم در برابر تغيير شكل هاي ناشي از بار پيچشي است. در مرحله ي اول، ابتدا مدل هايي با الهام از ساختار
استخوان طراحي و شبيه سازي شده و مدول برشي ان ها محاسبه و از بين مدل هاي طراحي شده، ساختارهايي كه از نظر سختي پيچشي
در بهترين حالت قرار دارند، مشخص مي شوند. مدل هاي طراحي شده از دو ماده ي پليمري سخت و نرم تشكيل شده اند. در پژوهش حاضر،
اثر نحوه ي قرارگيري ماده ي نرم به صورت دايروي، بيضوي، مارپيچي و لايه اي بررسي شده است. به جهت صحت سنجي نتايج عددي، دو
ساختار نرم و سخت همگن به همراه دو ساختار ناهمگن، انتخاب و توسط دستگاه پرينتر سه بعدي موجود در دانشگاه صنعتي دلفت ساخته
شده و تحت بارگذاري پيچشي قرار گرفته اند. نتايج به دست امده نشان مي دهد، كه در صورتي كه مواد نرم هم جهت با گشتاور پيچشي
وارد بر ساختار قرار گيرند، به عبارتي به صورت لايه اي و يا بيضوي- محيطي در ماتريس زمينه جاي گيرند، مدول برشي افزايش مي يابد.
از طرفي هر چه تعداد لايه هاي ماده ي نرم افزايش يابد و ماده ي نرم به صورت همگن تر در بين ماده ي سخت پخش شود، مدول برشي
نيز افزايش مي يابد. با توجه به اينكه در مرحله ي اول سخت ترين ساختارها مشخص شده است، در دو مرحله ي بعد جهت به دست اوردن
مناسب ترين ارايش چينش مواد، از روش هاي هوشمند استفاده شده و نتايج به دست امده با نتايج مرحله ي قبل مقايسه شده است. در
مرحله ي قبل استخوان قشري الگوي طراحي ساختارها در نظر گرفته شده است. اما در دو مرحله ي بعد به منظور دست يابي به مقاوم ترين
ساختارها، الگوي اوليه وجود نداشته و به صورت هوشمند ساختارهاي مقاوم مشخص مي شوند. يكي از روش هاي هوشمند در نظر گرفته
شده، استفاده از روش بهينه سازي الگوريتم ژنتيك است. در اين مرحله، كد مربوط به الگوريتم ژنتيك به شيوه اي نوشته شده است كه
ابتدا يك ساختار با ارايش مواد به صورت تصادفي انتخاب كرده )پايين ترين مدول برشي( و در هر مرحله در تلاش است ساختارهايي با
مدول برشي بيش تر ايجاد كند. در نهايت مدول برشي به دست امده در تكرار نهايي برابر با 185/10مگاپاسكال مي باشد. از انجايي كه
امكان دارد برخي از ارايش هاي موجود توسط الگوريتم ژنتيك ناديده گرفته شود، به جهت بررسي ارايش هاي مختلف در مرحله ي سوم
از روش هوشمند شبكه ي عصبي استفاده شده است. باتوجه به اينكه لازم است داده هاي زيادي به عنوان ورودي به شبكه ي عصبي داده
شود، از داده هاي به دست امده از قسمت مربوط به الگوريتم ژنتيك استفاده شده است. نزديك به نه هزار ارايه ي مختلف به همراه مدول
برشي ان ها از الگوريتم ژنتيك به دست امده است كه اين داده ها در فرايند يادگيري سبب مي شوند ضرايب مجهول به درستي محاسبه
شوند. نتايج نشان مي دهد كه هوش عصبي نسبت به الگوريتم ژنتيك به الگوهايي با مدول برشي بزرگتر دست يافته است. مقايسه ي نتايج
حاصل از مرحله ي اول و نتايج به دست امده از روش هاي هوشمند الگوريتم ژنتيك و شبكه ي عصبي، نشان مي دهد كه الگوريتم ژنتيك و
هوش عصبي به خوبي توانسته اند ساختارهايي مقاوم با شباهت بسيار به ساختارهاي مقاوم به دست امده با الهام از طبيعت پيش بيني كنند.
چكيده انگليسي :
In recent years, many studies have been done on how to learn from nature to make more efficient structures.
Studies show that a clever arrangement of raw materials inside a composite could have a huge positive effect on
mechanical properties. Researchers can use patterns inspired from nature to improve the mechanical response
of composites made of synthetic materials. One of the unique sources for such natural inspiration is human
cortical bone. This bone has a good response against all kinds of loads, especially torsional loads. Actually,
studies prove that the geometric shape and position of soft material in the cortical bone which is called osteon
have a beneficial effect on mechanical properties, including torsional properties. The aim of this project is to
inspire the structure of human cortical bone to make torsional load-bearing composites. In the first stage, models are designed according to the bone structure and their shear modulus are calculated. Then, the structures are
evaluated and the best ones are identified. All models consist of two hard and soft materials. The studied shapes
of soft material at this stage are circular in different sizes, elliptical in concentric and radial orientations with
different aspect ratios, helical and layered. In order to validate the obtained numerical results, two homogeneous
soft and hard structures, as well as one concentric and one radial composites with the same aspect ratio, were
considered and printed by a machine at the Technical University of Delft. Finally, the printed models are tested
under torsional loads. According to the results, the error of the numerical calculations is estimated to be less
than 6%, which is acceptable. The results verified that if the soft material is oriented along with the direction of
torsion, e.g. layered or concentric elliptical structures, the shear modulus will increase dramatically. Furthermore, the analysis proves that as the number of layers increases and the soft material gets more homogeneously
distributed, the shear modulus will increase as well. In order to search for more composites with highly good
mechanical properties, some artificial intelligent methods are invoked and the final results are compared with
results obtained from the first stage. In contrast to the first stage that the human cortical bone was inspired to
design composites, here the algorithm was not restricted to no initial pattern and indeed started with a random
distribution of materials. Genetic Algorithm Optimization was one of these artificial intelligent methods. The
Python code of the Genetic Algorithm tries to generate and select the structures that have higher shear modulus. In the end, the most optimum structure has a shear modulus equal to 185.10 MPa. However, there might
be some structures that are missed by the Genetic Algorithm. For this reason, a machine learning algorithm
(Neural Network) was designed and deployed. For training the Neural Network algorithm, the data generated
in each step of the Genetic Algorithm is recycled and fed into the Neural Network which includes nearly nine
thousand different representations along with their shear modulus. The results show that the Neural Network
has found composites with higher shear moduluses than the Genetic Algorithm. The results also confirm that
the Genetic Algorithm and Neural Network are able to predict structures with nearly as good as the structures
inspired by nature