شبیه سازی چند مقیاسی -همزمان و نیمه همزمان- نانوکامپوزیت های پایه پلیمری خاک رسی

با گسترش روز افزون فرآیند های نوین ساخت در عرصه نانو تکنولوژی و ظهور مواد جدید با خواص ویژه و چند گانه، شرکت های بزرگ تجاری رقابت شدیدی را در زمینه سرمایه گذاری و تجاری سازی نانو مواد آغاز کرده اند. در این میان نانوکامپوزیت ها به علت خواص ویژه و متنوعی که از خود نشان می دهند، توجه ویژه ای را در صنایع خودروسازی، صنایع هوایی و صنایع بسته بندی به خود جلب نموده اند. در کنار توسعه سریع در روش های آزمایشگاهی در این حوزه، لزوم گسترش روش های عددی کارا و موثر در پیش بینی و شبیه سازی رفتار نانو مواد بیش از پیش خودنمایی می کند. هدف اصلی از تحقیق حاضر توسعه و استفاده از روش های چند مقیاسی برای شبیه سازی و پیش بینی رفتار نانوکامپوزیت های خاک رسی می باشد. توسعه و استفاده از این روش های مدل سازی علاوه بر درک بهتر از نحوه رفتار نانو مواد، امکان طراحی محاسباتی این مواد را نیز فرآهم می آورد. قبل از انجام آنالیز های چند مقیاسی، ابتدا نمونه هایی از اپوکسی و نانوکامپوزیت خاک رسی با درصدهای متفاوتی از رس ساخته و سپس خواص مکانیکی این نمونه ها اندازه گیری شد. بر پایه نتایج حاصل از آزمون های تجربی، پدیده آسیب و شکست در نمونه های نانوکامپوزیت خاک رسی تحت کشش در مقیاس ماکرو شبیه سازی شد. محل شروع و مسیر گسترش ترک به همراه نمودارهای تنش-کرنش نمونه های تحت کشش با نتایج آزمون های تجربی مقایسه شد. به منظور سهولت در پیاده سازی و استفاده از روش های چند مقیاسی در شبیه سازی رفتار مواد ناهمگون، یک کد متن باز چند مقیاسی با قابلیت مدل سازی در سه مقیاس نانو، مزو و ماکرو و در دامنه های پیوسته و اتمی نگارش شد. این کد با بهره گیری از روش اجزا محدود توسعه یافته، انجام انواع آنالیز های چند مقیاسی در حضور ترک را امکان پذیر می نماید. توانمندی و عملکرد کد توسط چندین مثال گویا در شبیه سازی رفتار نانوکامپوزیت های خاک رسی بررسی شد. با بهره گیری از توانمندی های کد مذبور، درک بهتری از رفتار نانو مواد و دیگر مواد ناهمگون حاصل خواهد شد. با توجه به ابعاد بسیار کوچک ذرات به کار رفته در نانوکامپوزیت های خاک رسی، عدم قطعیت های بسیاری در تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی این اجزاء وجود داشته که این امر استفاده از روش های مدل سازی قطعی را برای پیش بینی رفتار این مواد دشوار می نماید. به همین دلیل، در این تحقیق و با استفاده از ترکیبی از روش های میکرومکانیک و آنالیز تصادفی، مدول الاستیک و پارامتر آسیب نانوکامپوزیت های خاک رسی کاملاً مجزا پیش بینی شد. مدول الاستیک های پیش بینی شده با نتایج تجربی مقایسه گردیده و صحت و دقت آنها بررسی شد. در ادامه و با بهره گیری از یک روش نوین انتقال داده بین مقیاس های ریز و درشت، یک روش چند مقیاسی نیمه همزمان برای شبیه سازی رفتار آسیب مواد ناهمگون ارائه و در نرم افزار آباکوس پیاده سازی شد. این روش چند مقیاسی از انتقال گرادیان تغییر شکل از مقیاس درشت به مقیاس ریز و ارسال پارامتر آسیب از مقیاس ریز به مقیاس درشت استفاده می کند. در این روش از گرادیان تغییر شکل ارسالی به عنوان شرط مرزی درمحاسبات مربوط به مقیاس ریز استفاده شده و همگن سازی، پارامتر آسیب را به مقیاس درشت برمی گرداند. این روش بر روی نانوکامپوزیت های خاک رسی اعمال و نتایج آن با نتایج حاصل از میکرومکانیک صحه سنجی شد. در پایان نیز یک روش چند مقیاسی همزمان در حالت سه بعدی و با قابلیت مدل سازی ترک معرفی و پیاده سازی شد. بررسی های انجام شده نشان دادند که این روش چند مقیاسی، توانایی مدل سازی ترک در مقیاس های گوناگون را داشته و با توجه به ناچیز بودن پدیده برگشت مجازی امواج، روش ارائه شده قابلیت استفاده در کاربردهای دینامیک را دارد.