مدل سازی و شبیه سازی نانولوله های کربنی به منظور پیش بینی خواص مکانیکی آن

نانولوله¬ کربنی را می¬توان شگفت¬انگیز¬ترین ماده نانوساختار کشف شده تاکنون دانست. روش¬های مکانیک ملکولی، از جمله دقیق¬ترین روش¬های شبیه¬سازی نانولوله¬های کربنی در حال حاضر محسوب می¬شوند. اما یک مشکل اساسی این روش¬ها، زمان بسیار زیاد تحلیل آن¬ها می¬باشد. اگرچه مدل¬های پیوسته زمان کمتری برای تحلیل نیاز دارند، اما به علت عدم دربرگیری ساختارهای اتمی در شبیه¬سازی، دارای دقت پایینی هستند. بنابراین برای حل این مشکل، مدل¬های ساختاری ارائه گردیدند. در مدل¬های ساختاری از المان¬های پیوسته برای مدلسازی برهمکنش¬های بین اتمی در نانولوله¬های کربنی استفاده می¬گردد. در مدل¬های ساختاری ارائه شده تاکنون، از المان¬های مختلفی همانند میله، تیر و فنر برای مدل کردن برهمکنش¬های بین اتمی استفاده شده است. البته این مدل¬ها، به دلیل فرض¬های ساده¬سازی اعمال شده در آن¬ها، اغلب دارای دقت پایینی هستند و همچنین برای حل حوزه خاصی از مسائل کاربرد دارند. در این پایان¬نامه سعی شده است که مدلی ارائه گردد تا علاوه بر دقت و سرعت بالا، حوزه وسیعی از مسائل را نیز در برگیرد. مدل ارائه شده در این پایان¬نامه، کامل¬ترین مدل ساختاری ارائه شده تاکنون می¬باشد که در محیط نرم افزار abaqus اجرا می¬گردد. در این مدل ساختاری از رابط-های غیرخطی برای مدل کردن برهمکنش¬های پیوندی کشش و پیچش و همچنین از المان فنر غیرخطی محوری برای مدل کردن برهمکنش پیوندی تغییر زاویه استفاده شده است. در این مدل، رفتار نانولوله مدل شده از دقت بهتری برخوردار بوده و از مزیت¬های آن، اجرا شدن آن در فضای cae نرم¬افزار abaqus می¬باشد. این امر باعث می¬شود که برای بررسی نانولوله¬های کربنی تحت شرایط مختلف مرزی و بارگذاری نیاز به برنامه¬نویسی نداشته باشیم و هر قابلیتی که نرم افزار abaqus در تحلیل مسائل مکانیکی داشته باشد را بتوان بر روی نانولوله اعمال کرد. از این مدل ساختاری برای پیش¬بینی خواص مکانیکی نانولوله¬های کربنی استفاده شده است. در قسمت اول مدول یانگ، مدول برشی، ضریب پواسون و استحکام نهایی نانولوله¬های کربنی تک دیواره بدست آمده¬اند و تاثیر انواع عیوب تهی¬جای بر روی این پارامترها مورد بررسی قرار گرفته اند. نتایج نشان می¬دهند که عیوب تهی¬جای تاثیر بسیار کمی بر روی مدول یانگ و تاثیر بیشتری بر روی استحکام نهایی دارند. در ادامه به تحلیل کمانش نانولوله¬های کربنی تحت فشار محوری پرداخته شده است. بارها و کرنش¬های بحرانی کمانش و همچنین مُدهای کمانش نانولوله¬های کربنی زیگزاگ و آرمچیر برای نسبت¬های ظاهری مختلف بدست آمده¬اند. تاثیر انواع عیوب تهی¬جای بر روی بارها و کرنش¬های بحرانی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می¬دهند که عیوب تهی جای باعث به تعویق افتادن مُد اویلر خواهد شد و نقطه بحرانی برای وجود عیب در یک نانولوله در مرکز آن می¬باشد. مقایسه نتایج مدل ساختاری حاضر با نتایج بدست آمده از شبیه¬سازی دینامیک ملکولی بیانگر دقت بالای مدل می¬باشد.