شکل (۴‑۲۷): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی معیوب از نوع تک تهیجای ۷۸
شکل (۴‑۲۸): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی دوسرگیردار معیوب (الف) تک تهیجای(۱)، (ب) تک تهیجای(۲)، (ج) دو تهیجای(۱)، (د) دو تهیجای(۲) ۸۱
شکل (۴‑۲۹): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی معیوب (الف) استون- والز (۱) ، (ب) استون- والز(۲) ۸۲
شکل (۴‑۳۰): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی یک سر گیردار معیوب از نوع استون- والز،(الف) اصابت گلوله روی عیب، (ب) اصابت گلوله سمت مخالف عیب ۸۳
۷ نانومتر ۸۴
شکل (۴‑۳۲): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبی برای دو گلوله مختلف ۸۵
۰z= 86
۷ در حالت عدم در برگیری تمام عرض نانولوله کربنی در دو نما ۸۷
شکل (۴‑۳۵): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی در لحظه صفر شدن سرعت گلوله ۸۸
شکل (۱‑۳۶): ابعاد سلول واحد شش ضلعی قبل از برخورد ……………………………………………………………………………۹۱
فهرست جداول
جدول (۳‑۱): پارامترهای ساختارهای مختلف نانولوله کربنی ۲۰
جدول (۳‑۲): ثابتهای معادلات برهمکنش در نانولولههای کربنی ۳۹
جدول (۴‑۱): شرایط اولیه نانولوله کربنی و گلوله ۴۹
جدول (۴‑۲): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار در موقعیتهای مختلف گلوله ۵۲
جدول (۴‑۳): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ یک سر گیردار در موقعیتهای مختلف گلوله ۵۸
جدول (۴‑۴): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی دو سر گیردار در زاویه های مختلف برخوردگلوله ۶۲
جدول (۴‑۵): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با قطرهای مختلف ۶۶
جدول (۴‑۶): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی دو سرگیردار با طولهای مختلف ۶۹
جدول (۴‑۷): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی آرمچیر دو سرگیردار درموقعیتهای مختلف گلوله ۷۲
۰ برای گلوله ۷۵
جدول (۴‑۹): انرژی جذب شده نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با انواع عیوب ۷۹
جدول (۴‑۱۰): حداکثر انرژی جذب شده بوسیله نانولوله کربنی یک سر گیردار با عیب استون- والز ۸۳
جدول (۴‑۱۱): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار تحت ضربه توسط گلوله استوانهای ۸۵
جدول (۴‑۱۲): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با موقعیتی متفاوت برای گلوله ۸۸
مقدمه
انسان همواره به دنبال محافظت از خود در برابر آسیب‌های احتمالی ناشی از ضربه در میدان‌های جنگ بوده است. از این رو از هزاران سال پیش زره به تن کرده است. در قرن پنجم پیش از میلاد در ایران و یونان برای ساخت زره از ۱۴لایه کتان استفاده میشده است. ۷۰۰ سال پس از میلاد نوعی زره بدون آستین شامل صفحههای فولادی یا آهنی که روی نوارهای چرمی چفت میشد در چین و کره ساخته شد که سبکی و انعطافپذیری ویژهای داشت. با پیشرفت سلاح و روی کار آمدن سلاح گرم توجه صنعتگران به تولید زرههایی جلب شد که به کمک صفحههای فولادی ضخیمتر و صفحههای سنگین اضافی بتوانند از بدن انسان در مقابل گلوله محافظت کنند. این کار باعث سنگینی زره شده و استفاده از آن برای شخص تن کننده طاقت‌فرسا میگردد. مهندسین در دهه ۱۹۶۰ یک جلیقه مقاوم در برابر گلوله و مناسب را ساختند که بر خلاف زره‌های سنتی بسیار راحت بود. جلیقههای ضد گلوله سبک از فلز ساخته نشده بود بلکه از بافت‌های فیبری که قابل دوخت بر روی جلیقه و دیگر لباس‌های سبک میباشد، ساخته‌شده‌اند. در سال ۱۹۶۵ شرکت داپونت[۱] الیافی با نام تجاری کولار[۲] (از خانواده آرامید) تولید و از آن پارچه تولید کرد. در ابتدا کولار در صنعت لاستیک سازی و سپس در تولیدات گوناگونی مثل طناب و واشر و قسمت‌های مختلف هواپیما و قایق استفاده گردید. در سال ۱۹۷۱ الیاف کولار به عنوان جایگزین الیاف نایلون در جلیقههای ضد گلوله معرفی شد. در حال حاضر این الیاف یکی از مهم‌ترین الیاف مورد استفاده در تولید این نوع پوشاک میباشد]۱[.
جلیقههای ضد گلوله امروزی، به دو نوع تقسیم می‌شود:
جلیقههای ضد گلوله سخت
جلیقههای ضد گلوله نرم
جلیقههای ضد گلوله سخت از صفحههای فلزی و یا سرامیکی ضخیم ساخته میشوند و به اندازه کافی برای انحراف گلوله و سایر سلاح‌ها مقاوم‌اند. مواد بکار رفته در این جلیقهها، گلوله‌ها را با همان نیرویی که به داخل در حال وارد شدن است به خارج هل می‌دهند. به این ترتیب جلیقه غیرقابل نفوذ خواهد بود. جلیقههای ضد گلوله سخت حفاظت بیشتری را نسبت به جلیقههای ضد گلوله نرم ایجاد می‌کنند ولی طاقت‌فرسا تر هستند. افسرهای پلیس و کارکنان نظامی این نوع از لوازم حفاظتی را در هنگامی که میزان خطر احتمالی بالا باشد به تن می‌کنند؛ ولی برای استفاده‌های روزمره عموماً از جلیقههای ضد گلوله نرم که میتوان به صورت ژاکت یا تیشرت معمولی به تن کرد، استفاده می‌کنند.
روش کار این جلیقهها بسیار ساده است. در درون این جلیقهها یک ماده ضد گلوله قرار دارد که در حقیقت یک توری بسیار قوی است. برای درک چگونگی عملکرد آن، تور دروازه فوتبال را در نظر بگیرید که در پشت دروازه بسته شده است. وقتی که توپ به دروازه شوت می‌شود، دارای انرژی زیادی است و در هنگام اصابت به تور، در یک نقطه مشخص تور را به عقب هل میدهد. هر رشته از یک سمت تیرک به سمت دیگر امتداد دارد و نیروی وارد آمده در آن نقطه مشخص را به سر تا سر تور پخش می‌کند. این نیرو به دلیل به هم بافته بودن رشته‌ها پخش می‌شود و به این طریق، همه قسمت‌های تور انرژی وارده از سوی توپ را جذب می‌کنند و فرقی نمی‌کند که گلوله به کدام قسمت از تور اصابت کرده باشد.
اگر یک تکه از ماده ضد گلوله را زیر میکروسکپ قرار دهیم، همین ساختار را مشاهده خواهد شد. رشته های بلندی از الیاف که به هم تنیده شده‌اند تا یک ساختار توری شکل متراکم را تشکیل دهند. حال با توجه به اینکه یک گلوله بسیار سریع تر از توپ حرکت می‌کند، بنابراین این توری باید از مواد محکم تری ساخته شود. معروف‌ترین ماده‌ای که در ساخت جلیقههای ضد گلوله به کار میرود، الیافی به نام کولار است]۲[؛ الیافی سبک‌وزن که ۵ برابر مقاوم تر از یک تکه فولاد، در همان وزن است. زمانی که این ماده به صورت یک تور متراکم در می‌آید، می‌تواند نیروی زیادی را جذب کند. به منظور جلوگیری از رسیدن گلوله به سطح بدن، جلیقه ضد گلوله باید برخلاف ضربه مستقیمی که گلوله وارد می‌کند، عمل کند .به تازگی استفاده از الیافی تار عنکبوت در تولید جلیقهها متداول شده است. استحکام این رشته حدود ۲۰ مرتبه بالاتر از فولاد است]۳[.
در هر حال دو عامل مهم در جلیقههای ضدگلوله، قابلیت جذب انرژی و سبکی آن‌ها میباشد. از این رو استفاده از موادی که دارای این خواص هستند برای دفع یا منحرف کردن گلوله مهم میباشد. جلیقههایی که تاکنون ساخته شده است ممکن است از مرگ جلوگیری کند اما همچنان باعث کبودی و آسیبدیدگی اندام‌های حیاتی بدن میشوند. از همین رو پژوهش برای رسیدن به بهترین ماده جهت استفاده در جلیقه ضدگلوله همچنان ادامه دارد. آخرین پژوهشهای صورت گرفته در این زمینه نشان میدهد که رشتههایی از جنس نانولوله کربنی[۳] حتی از ابریشم عنکبوت نیز مقاومتر هستند. نانولولههای کربنی به دلیل استحکام بالا، وزن کم و ظرفیت جذب انرژی بالا بهترین مواد جهت ساخت وسایل ضد ضربه به ویژه جلیقههای ضدگلوله هستند.
نانولولههای کربنی به دلیل خواص فوقالعاده مکانیکی و الکتریکی از سال ۱۹۹۱ که توسط ایجیما[۴] کشف شده اند]۴[؛ در کانون توجه محققان در سرتاسر جهان قرارگرفتهاند و کارهای بسیار وسیعی در حوزه های مختلف در مورد این مواد صورت گرفته است. پس از کشف نانولولههای کربنی محققین به انجام آزمایش بر روی این ساختار روی آوردهاند؛ اما صرف هزینه های بسیار زیاد برای انجام این آزمایشها محققان را بر آن داشت تا با بهره گرفتن از روشهای مختلف کامپیوتری به شبیهسازی رفتارهای مختلف این ماده بپردازند. از مهم‌ترین این روشها میتوان به روشهای آبینیشیو[۵] و شبیهسازی دینامیک مولکولی[۶] اشاره کرد. البته لازم به ذکر است که روش دینامیک مولکولی دارای دقت بسیار بالایی است؛ اما استفاده از آن نیاز به وقت و هزینه های زیادی دارد و بکارگیری آن برای همه مقدور نیست. این امر سبب شد تا محققین همچنان به دنبال روشی جامع و مطمئن باشند تا به وسیله آن بتوان نانولولههای کربنی را تحت بارگذاریها و شرایط مرزی مختلف مورد بررسی قرارداد.
از این رو در سال ۲۰۰۲ استفاده از خصوصیات ساختاری برای مدلسازی نانوساختارها پیشنهاد شد]۵[. در طی سال‌های گذشته مدلهای مکانیک ساختاری تکامل یافته است؛ اما در تمامی مدلهایی که تاکنون ارائه شده است کاستیها و معایبی وجود دارد. در این پروژه با بهره گرفتن از مدل مکانیک ساختاری رفتار نانولوله تحت ضربه بالستیک بررسی شده و پارامترهای مهم در جذب انرژی مورد مطالعه قرار میگیرد]۶[.
بر این اساس در فصلهای بعد ابتدا مروری بر کارهای انجام‌شده در زمینه شبیهسازی نانولولهها و پدیده ضربه روی این مواد صورت گرفته، سپس مقدمهای از نانولوله کربنی و شیوه های مدلسازی آن‌ها گفته شده و در ادامه به معرفی مدل استفاده شده در این پایان نامه و چگونگی ایجاد آن در نرم‌افزار آباکوس [۷] پرداخته شده است. در انتها نیز رفتار نانولوله کربنی تحت ضربه بررسی و نتایج حاصل از آن با نتایج حاصل از مدلهای معتبر دیگر مقایسه شده است.
مروری بر مطالعات پیشین
مقدمه
با توجه به پیشرفت تکنولوژی و صنعت، بشر همواره به دنبال موادی بوده که نسبت به مواد موجود دارای ویژگیها و کیفیت برتری باشند. یکی از این مواد نانولولههای کربنی میباشد که در سال‌های گذشته استفاده از آن به دلیل ویژگیهای منحصربه‌فردی نظیر استحکام بالا، وزن سبک و قابلیت جذب انرژی بالا، افزایش یافته است]۷[. ویژگیهای یادشده از مهم‌ترین عوامل در ساخت تجهیزات ضدضربه از جمله جلیقههای ضد گلوله هستند. از این رو محققان به انجام آزمایش بر روی این ساختار روی آوردهاند. اما مشکلات موجود در کارهای تجربی مانند صرف هزینه های مالی بسیار زیاد، محققان را بر آن داشته تا با بهره گرفتن از روشهای مختلف کامپیوتری به مدلسازی و شبیهسازی رفتارهای مختلف این ماده بپردازند. روشهای مختلف کامپیوتری برای شبیهسازی نانولولهها پیشنهاد شده است که مهم‌ترین آن‌ها روش دینامیک مولکولی و مکانیک ساختاری میباشد. روش دینامیک مولکولی روش بسیار دقیقی است اما به دلیل حجم محاسبات بسیار بالا، این روش معمولاً به سیستمهای کوچک محدود می شود. روشی که در سال‌های اخیر مورد استفاده قرار گرفته، روش مکانیک ساختاری میباشد. در این سال‌ها روشهای مختلفی برای شبیهسازی مکانیک ساختاری نانولوله کربنی ارائه شده که هر کدام دارای عیب و کاستی بوده اند. مهم‌ترین عیب همه مدلهای گذشته محدودیت آن‌ها در پوشش تمام مسائل مکانیکی است. در این پایان نامه از یک مدل ساختاری برای شبیهسازی رفتار نانولولههای کربنی تحت ضربه استفاده شده است]۶[. انواع روشهای مدلسازی در فصل ۳ بررسی شده است.
در ادامه ابتدا به معرفی کارهای صورت گرفته بر روی نانولولهها با بهره گرفتن از این مدل میپردازیم؛ سپس کارهای انجام شده در زمینه ضربه روی نانولوله کربنی به روشهای دیگر معرفی میگردد. و در فصلهای آینده به موضوع اصلی این پایان نامه، یعنی بررسی قابلیت جذب انرژی نانولوله کربنی تحت ضربه به شیوه مکانیک ساختاری و با بهره گرفتن از مدل معرفی شده، پرداخته می شود.
مطالعات پیشین
پروانه و همکاران(۲۰۰۹)
در سال ۲۰۰۹ پروانه و همکاران در مقالهای ضمن معرفی مدل ساختاری جدید برای شبیهسازی نانولوله کربنی، به بررسی رفتار کمانشی این ساختار تحت بار محوری فشاری پرداختند]۸[. ضرورت ایجاد شرایط آزمایشگاهی مطلوب و گرانی تستها در کارهای تجربی از یک سو و صرف وقت زیاد در روش دینامیک مولکولی از سوی دیگر آن‌ها را بر این داشت تا با ارائه یک مدل ساختاری جدید به بررسی نانولولههای کربنی بپردازند. آن‌ها در این مقاله تأثیر انواع مختلف عیوب در موقعیتهای مختلف را بر بارها و کرنشهای کمانش انواع نانولولههای کربنی با طول و قطر مختلف بررسی نمودند. آن‌ها برای مدلسازی نانولوله کربنی از یک رابط و فنر غیرخطی برای شبیهسازی پیوند میان اتمهای کربن استفاده نمودند. در واقع این مدل ترکیبی از مدلهای مکانیک ساختاری گذشته میباشد.
با توجه به اینکه از این مدل در پایان نامه حاضر استفاده شده است؛ در فصل بعد به تفصیل در مورد این مدل توضیح داده خواهد شد. مقایسه کار آن‌ها با مدلهای دینامیک مولکولی نشاندهنده سازگاری خوبی بین مدل جدید ارائه شده با مدلهای دینامیک مولکولی میباشد.
ﻧﮕﺎرش ﻣﻘﺎﻟﻪ ﭘﮋوهشی درباره شبیه سازی عددی قابلیت جذب انرژی نانولوله کربنی تحت ...
