مدل سازي عددي و تحليل رفتار ترمومكانيكي ساختارهاي TPMS ساخته شده از پليمر حافظه دار

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

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.

222081

طراحي كاربردي-مكانيك جامدات

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان