آکادمی و موسسه علمی پژوهشی ابن سینا

جمع‌بندی

هدف کلی از انجام پایان نامه دکتری مکانیک طراحی کاربردی حاضر مدلسازی ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار مشبک است. برای رسیدن به این هدف در انجام پایان نامه دکتری مکانیک طراحی کاربردی حاضر سه گام اصلی دنبال گردید. در گام اول مدلسازی ساختاری مواد مشبک عادی مورد ارزیابی قرار گرفت. در این راستا ابتدا تاثیر ماده بالک سازنده بر رفتار مکانیکی بررسی شد. نتایج مدلسازی‌های انجام شده بر روی یک ماده مشبک که توسط روش ذوب انتخابی توسط لیزر تولید شده‌است نشان داد که چنانچه از خواص مادی مربوط به پودری که نمونه از آن تولید شده‌است برای مقاصد مدلسازی استفاده شود اختلاف زیادی بین نتایج مدل و نتایج تجربی در ناحیه الاستیک وجود خواهد داشت. این در حالیست که اگر از خواص مکانیکی نمونه‌ای که با استفاده از همان پارامترهایی که برای ساخت نمونه مشبک استفاده شده‌است تولید شده استفاده گردد همخوانی بسیار خوبی حاصل می‌گردد. این نتیجه اهمیت انتخاب پارامترهای مادی مربوط به ماده بالک سازنده آن ماده مشبک را نشان می‌دهد و می‌توان گفت که برای به حداقل رساندن اثرات ماده بالک بهتر است که نمونه بالک و مشبک با استفاده از فرآیند و پارامترهای مشابه تولید شوند.
پس از بررسی اثر ماده بالک ، اثرات وجود عیوب هندسی بر رفتار مکانیکی مواد مشبک مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این منظور یک نمونه ماده مشبک با ساختار BCC-Z با استفاده از روش مدلسازی رسوب ذوب تولید گردید. پس از تولید نمونه‌ها، قطر پیوندها در چندین نقطه اندازه‌گیری شده و نمودار میله‌ای توزیع احتمالی قطر برای ماده مشبک تعیین شد. برای آنکه تاثیر ماده بالک سازنده تا حد امکان کاهش داده شود، نمونه‌های تست فشار و کشش با همان پارامترهای ساخت که برای ساخت نمونه مشبک مورد استفاده قرار گرفت تولید شده و در تست متناظر آزموده شدند. سپس مدل‌های اجزای محدود بر مبنای المان تیر و المان سه‌بعدی به‌گونه‌ای توسعه داده شدند که بتوانند اثرات تغییر قطر در راستای طول پیوندها را نیز لحاظ کنند. نتایج این مدلسازی نشان می‌دهد که وجود عیوب هندسی در ماده می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای بر پاسخ مکانیکی این مواد اثر بگذارد. از طرفی هرچه  تعداد بازه‌های تغییرات قطر در راستای طول پیوند بیشتر باشد نتایج به‌دست آمده به نتایج تجربی نزدیک‌تر خواهد بود. از سوی دیگر در ناحیه الاستیک هر دو مدل بر مبنای المان تیر و المان سه‌بعدی نتایج قابل قبولی ارائه می‌دهند لذا با توجه به اینکه مدل بر مبنای تیر از لحاظ محاسباتی مقرون به صرفه‌تر است، بر مدل سه‌بعدی ترجیح داده می‌شود. هنگامی که پاسخ الاستیک-پلاستیک ماده مورد نیاز است استفاده از مدل بر مبنای المان تیر نتایج خوبی را در پی نخواهد داشت حتی اگر عیوب زیادی در مدل وارد گردد. از این رو برای پیش‌بینی صحیح رفتار الاستیک-پلاستیک یک ماده مشبک استفاده از المان‌های سه‌بعدی که به‌خوبی جزئیات هندسی را پوشش داده باشند الزامی خواهد بود.
هرچند که وارد کردن عیوب هندسی در مدل به نتایج بهتری منجر خواهد شد اما نیاز به المان‌های کوچک‌تر حجم محاسبات مورد نیاز را به‌شدت خواهد افزود. از این رو در ادامه یک مدل محاسباتی کارآمد برای پیش‌بینی رفتار مکانیکی این مواد ارائه گردید. در این روش ابتدا یک تک‌پیوند از ماده در حضور بی‌نظمی‌ها و عیوب هندسی مختلف مدلسازی شده و پاسخ مکانیکی آن استخراج می‌گردد. سپس از پاسخ مکانیکی این تک‌پیوند جهت یافتن پارامترهای مادی ماده بالک سازنده پیوندها استفاده می‌شود. نتایج این مدلسازی نشان دهنده تطبیق مطلوبی با نتایج تجربی است که نشان می‌دهد اثرات عیوب هندسی به‌خوبی در مدل در نظر گرفته شده‌اند.
در ادامه یک معادله ساختاری سه‌بعدی بر مبنای روش میکروصفحه برای مدلسازی رفتار ترمومکانیکی آلیاژهای حافظه‌دار معرفی گردید. سپس این معادله ساختاری به‌گونه‌ای تعمیم داده شد که بتواند عدم تقارن مادی آلیاژهای حافظه‌دار را نیز در بر گیرد. برای این منظور یک سطح استحاله نامتقارن بر مبنای ناورداهای دوم و سوم تانسور تنش کژین در کنار مقادیر متفاوت برای کسر حجمی مارتنزیت و مدول الاستیک فاز مارتنزیت در کشش و فشار معرفی گردید. سپس این رابطه ساختاری از طریق مقایسه نتایج مدلسازی در تست کشش و فشار ساده در رژیم‌های سوپرالاستیک و فروالاستیک و تست خمش خالص با نتایج تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت.
پس از آن معادلات ساختاری فوق‌الذکر برای مدلسازی ساختاری نمونه‌های متخلخل و مشبک از جنس آلیاژهای حافظه‌دار مورد استفاده قرار گرفته و اثرات وجود عیب و بی‌نظمی در هندسه ریزساختاری ماده و نیز عدم تقارن مادی بر پاسخ مکانیکی نمونه‌های متخلخل و مشبک از این آلیاژها مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این منظور یک نمونه متخلخل نایتینولی با تخلخل 13 درصد و یک نمونه دیگر با تخلخل 42 درصد با استفاده از دو سلول واحد متفاوت مدلسازی شده و مشخص می‌گردد که برای نمونه با تخلخل 13 درصد عدم تقارن مادی تاثیر چندانی بر پاسخ مکانیکی نمی‌گذارد حال آنکه در نمونه با تخلخل 42 درصد عدم تقارن مادی تاثیر بسزایی بر خواص مکانیکی دارد. برای بررسی دقیق‌تر این یافته دو ماده مشبک با هندسه‌های BCC و BCC-Z با استفاده از تکنیک مدلسازی سلول واحد مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج این مدلسازی نشان می‌دهد که عدم تقارن مادی در نمونه با ساختار BCC پاسخ مکانیکی را به‌طور قابل ملاحظه‌ای تحت تاثیر قرار می‌دهد حال آنکه تاثیر این عدم تقارن بر پاسخ نمونه با ساختار BCC-Z بسیار ناچیز است. از سوی دیگر دیده می‌شود که با کاهش میزان تخلخل اثرات عدم تقارن مادی بر رفتار مکانیکی هر دو ساختار کاهش می‌یابد. به بیان بهتر، هر چه سهم بارگذاری محوری در مکانیزم‌های تغییرشکل ماده سلولی بیشتر باشد، اثرات عدم تقارن مادی بر رفتار مکانیکی آن کمتر خواهد بود.
در پایان دو نمونه مشبک با هندسه‌های BCC و BCC-Z با همکاری تیم تحقیقاتی دینامیک و سیستم‌های هوشمند دانشگاه تولدو آمریکا توسط روش ذوب انتخابی توسط لیزر تولید و خصیصه‌یابی گردیدند. برای یافتن پارامترهای مادی ماده بالک نمونه‌های تست فشار نیز همزمان با قطعات مشبک تولید شده و تحت تست فشار ساده آزموده شدند. در ادامه عکس‌های میکروسکوپی از هندسه ریزساختاری این نمونه‌ها تهیه شده و با استفاده از آن‌ها نمودار احتمالی توزیع قطر در امتداد پیوندها استخراج گردید. سپس پنج مدل شامل مدل سلول واحد بدون عیب، ترکیب مدل سلول واحد و مدل تک‌پیوند، مدل چندسلولی بدون عیب، ترکیب مدل چندسلولی و مدل تک‌پیوند و مدل چندسلولی دارای عیب برای مدلسازی ساختاری نمونه‌های فوق‌الذکر مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج این مدلسازی‌ها نشان می‌دهد که مدل سلول واحد برای مدلسازی رفتار مکانیک این نمونه‌ها مناسب نیست. دلیل این امر آنست که ابعاد سلول واحد در مقایسه با کل نمونه کوچک نبوده و لذا مدل سلول واحد در اینجا کارا نخواهد بود. مقایسه مدل‌های چندسلولی بدون عیب، ترکیب مدل چندسلولی و مدل تک‌پیوند و مدل چندسلولی دارای عیب مبین آنست که برای رسیدن به پاسخ دقیقی از رفتار ماده مشبک در نظر گرفتن عیوب و بی‌نظمی‌های هندسی امری ضروری است. در عین حال در مقایسه با مدل‌های دیگر، مدل چندسلولی دارای عیب منحنی تنش-کرنش را نزدیک‌تر به نتایج تجربی پیش‌بینی می‌کند. در انتها اثرات عدم تقارن مادی بر رفتار مکانیکی دو هندسه مورد مطالعه با استفاده از دو مدل ترکیب مدل چندسلولی و مدل تک‌پیوند و مدل چندسلولی دارای عیب مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که در نظر گرفتن عدم تقارن مادی به کاهش خطای نتایج مدلسازی می‌انجامد. تاثیر این عدم تقارن در نمونه با هندسه BCC-Z بسیار ناچیز بوده حال آنکه برای نمونه با هندسه BCC کاملا محسوس می‌باشد.

پیشنهادات

انجام پایان نامه دکتری مکانیک طراحی کاربردی نه‌تنها بستری را برای خلق علوم جدید فراهم می‌کند، بلکه خلاقیت و استعداد فردی را به‌گونه‌ای پرورش می‌دهد که زایشگاه ایده‌ها و آثار نوین باشد. هرچند که هر روز از این دوران طلایی با یک یا چندین ایده همراه است اما گذر سریع زمان امکان پیاده‌سازی این ایده‌ها را کمرنگ می‌کند. یک محقق نه‌تنها خود به توسعه علم می‌پردازد بلکه با نشان دادن راه به آیندگان به پیشبرد هرچه بیشتر آن کمک می‌کند. آنچه که در ادامه می‌آید پیشنهاداتی است که می‌توانند به تحقق هرچه بیشتر این هدف کمک کنند.

جهت دانلود فایل کامل کلیک کنید

در صورت داشتن هرگونه سوال و یا نیاز به مشاوره در زمینه آموزش انجام پایان نامه دکتری مکانیک طراحی کاربردی با ما در ارتباط باشید.