Ανάλυση πολλαπλών κλιμάκων νανοσύνθετων υλικών με χρήση συμβατικών και εξελιγμένων πεπερασμένων στοιχείων

Σάββας, Δημήτριος; Savvas, Dimitrios

dc.contributor.author	Σάββας, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Savvas, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2014-12-04T08:47:38Z
dc.date.available	2014-12-04T08:47:38Z
dc.date.issued	2014-12-04
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/39815
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1322
dc.rights	Default License
dc.subject	Ανάλυση πολλαπλών κλιμάκων, νανοσύνθετα υλικά, νανοσωλήνες άνθρακα, νανοσωματίδια γραφενίου, ιξωδοελαστικότητα, ιξωδοπλαστικότητα	el
dc.subject	Multiscale analysis, nanocomposites, carbon nanotubes, graphene nanoplatelets, viscoelasticity, viscoplasticity, FEM, XFEM	en
dc.title	Ανάλυση πολλαπλών κλιμάκων νανοσύνθετων υλικών με χρήση συμβατικών και εξελιγμένων πεπερασμένων στοιχείων	el
dc.title	Multiscale analysis of CNT and GnP-reinforced composites using FEM/XFEM	en
dc.contributor.department	Δομοστατικής	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Μηχανική Υλικών, Νανομηχανική	el
heal.classification	Materials science, Nanomechanics	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2014-11-21
heal.abstract	Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η προσομοίωση υπό πολλαπλές κλίμακες νανοσύνθετων υλικών και η ανάλυση αυτών, με χρήση τόσο της συμβατικής μεθόδου ανάλυσης με τα πεπερασμένα στοιχεία όσο και της εξελιγμένης μεθόδου ανάλυσης με τα εμπλουτισμένα πεπερασμένα στοιχεία. Συγκεκριμένα, οι κατηγορίες των νανοσύνθετων υλικών που μελετώνται αφορούν μήτρες από θερμοπλαστικά πολυμερή ενισχυμένες είτε με νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), είτε με νανοσωματίδια γραφενίου (GnPs). Για την προσομοίωση των ετερογενών αυτών υλικών εφαρμόζονται ιεραρχικά, από την ατομική στη νάνο, έπειτα στη μίκρο, μέχρι τελικά στη μάκρο κλίμακα, διαφορετικές τεχνικές προσομοίωσης. Σκοπός είναι να αναπτυχθεί ένα κατάλληλο υπολογιστικό εργαλείο ικανό για την ακριβή και γρήγορη πρόβλεψη των μηχανικών ιδιοτήτων των συγκεκριμένων νανοσύνθετων υλικών. Στο πλαίσιο αυτό, η μηχανική συμπεριφορά αντιπροσωπευτικών στοιχείων όγκου του υλικού, που επηρεάζεται από φαινόμενα μικροδομής, προσομοιώνεται από κατάλληλα καταστατικά μοντέλα, οι ενεργές παράμετροι των οποίων προκύπτουν μέσω μιας υπολογιστικής διαδικασίας ομογενοποίησης. Συγκεκριμένα, το αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου του ενισχυμένου με νανοσωλήνες σύνθετου υλικού προσομοιώνεται στις διάφορες κλίμακες με χρήση των εξής μεθοδολογιών: α) στην ατομική κλίμακα με τη μέθοδο της δομικής μοριακής μηχανικής προσομοιώνεται το ατομικό πλέγμα των χημικών δεσμών άνθρακα-άνθρακα των νανοσωλήνων με ένα χωρικό πλαίσιο αποτελούμενο από ενεργειακά ισοδύναμες δοκούς, β) στη νάνο κλίμακα με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων το χωρικό πλαίσιο αντικαθίσταται από ένα ισοδύναμο στοιχείο δοκού, γ) με χρήση της τεχνικής του εγκιβωτισμένου στοιχείου, εν σειρά συνδεδεμένα ισοδύναμα στοιχεία δοκού που προσομοιώνουν την γεωμετρία των νανοσωλήνων στην μίκρο κλίμακα εγκιβωτίζονται εντός των τρισδιάστατων στερεών στοιχείων που προσομοιώνουν την μήτρα του σύνθετου υλικού και δ) στη μάκρο κλίμακα η συμπεριφορά της μικροδομής προσομοιώνεται από ένα πρωτότυπο ιξωδοπλαστικό καταστατικό μοντέλο. Το μοντέλο αυτό λαμβάνει υπόψιν του την ολίσθηση των νανοσωλήνων άνθρακα στην διεπιφάνεια τους με το πολυμερές, όταν μια κρίσιμη τιμή της διεπιφανειακής διατμητικής αντοχής του υλικού ξεπεραστεί. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται, καταδεικνύουν την επίδραση της κατά βάρους περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες άνθρακα, της τυχαίας γεωμετρίας αυτών, καθώς και της διεπιφανειακής διατμητικής αντοχής στις τελικές μηχανικές ιδιότητες και στην ικανότητα απόσβεσης ενέργειας του σύνθετου υλικού. Από την άλλη, το αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου του νανοσύνθετου υλικού που περιέχει νανοσωματίδια γραφενίου, προσομοιώνεται με χρήση της μεθόδου των εξελιγμένων πεπερασμένων στοιχείων. Οι στοχαστικές παράμετροι που διερευνώνται στο πλαίσιο των υλικών αυτών σχετίζονται με την τυχαία γεωμετρία των νανοσωματιδίων, την θέση τους και τον προσανατολισμό τους μέσα στην μήτρα. Οι ενεργές ελαστικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν την μηχανική συμπεριφορά των συγκεκριμένων σύνθετων υλικών προκύπτουν μέσω ομογενοποίησης, με χρήση Monte Carlo προσομοιώσεων. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται αφορούν αντιπροσωπευτικά στοιχεία όγκου του σύνθετου υλικού με διαφορετική κατ' όγκο περιεκτικότητά σε νανοσωματίδια, καθώς και διαφορετικούς λόγους των μέτρων ελαστικότητας των υλικών της μικροδομής.	el
heal.abstract	The subject of the current thesis is the multiscale analysis of nanocomposites reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanoplatelets (GnPs), using the conventional and extended finite element method (FEM/XFEM). Speciffically, various modeling techniques are hierarchically applied, through different length scales from atomistic to nano, then to micro and finally to macro-scale, in order to study the mechanical and damping properties of the nano-reinforced polymer composites. Simulations of representative volume elements (RVEs) of nanocomposites are performed, where various stochastic parameters have been considered in order to account for the real microstructure geometry of the heterogeneous media. In the context of carbon nanotube-reinforced composites (CNT-RCs), the effect of interfacial shear strength (ISS) on the mechanical and damping properties of the material is investigated. The atomic lattice of CNTs is modeled using the molecular structural mechanics (MSM) approach and is reduced to an equivalent beam element (EBE). This beam is used as the basic building block for the construction of full length CNTs, which are then embedded in the polymer matrix. Elastic, as well as plastic, material properties are assigned to the EBEs for modeling their linear or nonlinear behavior, while the Maxwell-Wiechert material model is used for modeling viscoelasticity of the polymer. The interfacial load transfer mechanism between the lateral surface of the CNT and the surrounding matrix is taken into account with a nonlinear bond-slip friction-type model. Finite element (FE) models of RVEs are constructed comprised of two independent meshes: a structured with solid elements for the matrix and a series of embedded EBEs for the full length CNTs. Straight, as well as wavy CNTs, are considered. In the case of wavy CNTs, random CNT geometries are generated using the spectral representation method with evolutionary power spectra (EPS), which are derived from processing scanning electron microscope (SEM) images. Stochastic average properties are derived through Monte Carlo (MC) simulation. The mechanical and damping properties of CNT-RCs are assessed on the basis of sensitivity analyses with respect to various weight fractions (wf) and ISS values. Numerical results are presented, showing the significant effect of the ISS, as well as the influence of CNT waviness, on the damping behavior of CNT-RCs. Then, the multiscale modeling proceeds to macro-scale through the implementation of a nonlinear homogenization method. In the context of sequential homogenization, a novel viscoplastic constitutive model is introduced, which accounts for anisotropic stiffness and energy dissipation of the composite due to CNT reinforcement and slip. Sensitivity analysis is again performed with respect to various wf and ISS values where the mechanical and damping properties of the homogeneous models are assessed and compared with direct calculations on detailed fine scale heterogeneous models. The other class of materials studied in the current thesis is the graphene nanoplatelet-reinforced composites (GnP-RCs). Effective elastic properties are calculated from GnP-RC RVEs through a computational homogenization method, which accounts for arbitrarily shaped platelet inclusions. The homogenization combines the extended finite element method (XFEM) for the microstructural analysis with Monte Carlo simulation (MCS). The implementation of XFEM is particularly suitable for this type of problems since there is no need to generate a new finite element mesh at each MCS. The inclusions are randomly distributed and oriented within the medium while their shape is implicitly modeled by the iso-zero of an analytically defined random level set function, which also serves as the enrichment function in the framework of XFEM. Hill's energy condition is satisfied by the proposed homogenization method, which involves the generation of a large number of random RVE realizations. The microstructure geometries of these RVEs include specific volume fraction (vf) of inclusions with various stochastic parameters (e.g. number, shape, spatial distribution and orientation). The influence of the inclusion shape on the effective properties of the random media is highlighted. It is shown that the statistical characteristics of the effective properties can be signiffcantly affected by the shape of the inclusions, especially in the case of large volume fraction and stiffness ratio.	en
heal.sponsor	The research work was mainly funded by the European Community FP7 Collaborative Project "M-RECT-Multiscale reinforcement of semicrystalline thermoplastic sheets and honeycombs", (FP7-NMP-2009-2.5-1) and the European Research Council Advanced Grant "MASTER Mastering the computational challenges in numerical modeling and optimum design of CNT reinforced composites", (ERC-2011-ADG-20110209). The work presented in Chapter 5 was implemented within the framework of the research project "MICROLINK: Linking micromechanics-based properties with the stochastic finite element method: a challenge for multiscale modeling of heterogeneous materials and structures" - Action "Supporting Postdoctoral Researchers" of the Operational Program "Education and Lifelong Learning" (Action's Beneficiary: General Secretariat for Research and Technology), and was co-financed by the European Social Fund (ESF) and the Greek State. Also, the financial support from the Research Funding Department of the National Technical University of Athens is greatly acknowledged.	en
heal.advisorName	Παπαδρακάκης, Μανόλης	el
heal.advisorName	Papadrakakis, Manolis	en
heal.committeeMemberName	Παπαδρακάκης, Μανόλης	el
heal.committeeMemberName	Ραυτογιάννης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Βησσαρίων	el
heal.committeeMemberName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.committeeMemberName	Κοντού, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Σπηλιόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Στεφάνου, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	244
heal.fullTextAvailability	true