Multiscale modeling of graphene reinforced composites

Σεβεντεκίδης, Παναγιώτης; Seventekidis, Panagiotis

dc.contributor.author	Σεβεντεκίδης, Παναγιώτης	el
dc.contributor.author	Seventekidis, Panagiotis	en
dc.date.accessioned	2016-09-28T09:07:48Z
dc.date.available	2016-09-28T09:07:48Z
dc.date.issued	2016-09-28
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43662
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5870
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Graphene	en
dc.subject	Computational modeling	en
dc.subject	Composite materials	en
dc.subject	Stochastic	en
dc.subject	Mechanical behavior	en
dc.subject	Γραφένιο	el
dc.subject	Υπολογιστικό μοντέλο	el
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Στοχαστικό	el
dc.subject	Μηχανική συμπεριφορά	el
dc.title	Multiscale modeling of graphene reinforced composites	en
dc.title	Μοντελοποίηση πολλαπλών κλιμάκων σύνθετων υλικών γραφενίου	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Μηχανική	el
heal.classification	Mechanics	en
heal.classification	Σύνθετα υλικά	el
heal.classification	Composite materials	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/795ea7948f4f9b8fba3246722d8e6417697c678c
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/460ef5f62574c6e70f41bb076fe43f18f885e227
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/af724f05f61ef305eee5da55bd5d31ef6237e2a3
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/af724f05f61ef305eee5da55bd5d31ef6237e2a3
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-02-26
heal.abstract	Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, αναλύεται η ανάπτυξη του ισοδύναμου συνεχούς μέσου μοντέλου του γραφενίου σε πολλαπλές κλίμακες, χρησιμοποιώντας πεπερασμένα στοιχεία κελύφους. Το ισοδύναμο μοντέλο χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την ανάλυση και προσομοίωση νανοσύνθετων πολυμερών υλικών, λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της διεπιφανειακής αντοχής στις μηχανικές ιδιότητες. Οι προσομοιώσεις που παρουσιάζονται, βασίζονται στη χρήση κλασσικών πεπερασμένων στοιχείων συνεχούς μέσου για τη μοντελοποίηση των ατομικών αλληλεπριδράσεων στο πλέγμα άνθρακα του γραφενίου. Σύμφωνα με θεωρήσεις δομικής μοριακής μηχανικής, το πεδίο δυνάμεων που ορίζει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων, μπορεί να αντικατασταθεί από κλασσικά πεπερασμένα στοιχεία δοκού. Οι μηχανικές και γεωμετρικές ιδιότητες αυτών μπορούν να υπολογιστούν αναλυτικά. Παρέχεται έτσι μεγάλη ακρίβεια στις μηχανικές ιδιότητες του προσομοιώματος. Για την επίτευξη ενός υπολογιστικά χαμηλού κόστους μοντέλου, το πλέγμα των πεπερασμένων στοιχείων δοκού αντικαθιστάται από κλασσικά πεπερασμένα στοιχεία κελύφους. Ο υπολογισμός των μηχανικών σταθερών και του πάχους αυτών, γίνεται με αλγόριθμο βελτιστοποίησης, κάνοντας χρήση κριτηρίων ισοδύναμης ενέργειας παραμόρφωσης και μετατοπίσεων σε σύγκριση με το αρχικό προσομοίωμα δοκών. Σαν αποτέλεσμα έχουμε υψηλή ακρίβεια σε πολλαπλές κλίμακες και πολύ χαμηλότερο υπολογιστικό κόστος σε σχέση με το αρχικό μοντέλο στοιχείων δοκού. Το ισοδύναμο συνεχές που αποτελείται πλεον από πεπερασμένα στοιχεία κελύφους, χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την μοντελοποίηση νανοσύνθετου υλικού πολυμερικής μήτρας ενισχυμένο με γραφένιο. Για το νανοσύνθετο επιλέγεται αντιπροσωπευτικό στοιχείου όγκου, όπου το γραφένιο είναι ενσωματωμένο σε ορθωνική μήτρα πολυμερούς. Για τη μοντελοποίηση της μήτρας χρησιμοποιούνται τριδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία 8 κόμβων και γραμμικές ελαστικές ιδιότητες υλικού. Ο μηχανισμός μεταφοράς δυνάμεων από την πολυμερική μήτρα στο γραφένιο επιτυγχάνεται μέσω της διεπιφάνειας αυτών, για την οποία ορίζεται επιφανειακή συμπεριφορά συνοχής (cohesive zone). Η συμπεριφορά αυτή έχει αποδειχθεί κατάλληλη για την ανάλυση της αστοχίας και ολίσθησης σύνθετων υλικών στη διεπιφάνεια. Το διάνυσμα τάσης μεταξύ των δύο επιφανειών, υπολογίζεται βάσει ενός καταστατικού νόμου ως συνάρτηση της απομάκρυνσης (traction-separation law), έχοντας επίσης τη δυνατότητα να ακολουθήσει προεπιλεγμένο μοντέλο αστοχίας. Με τον συγκεκριμένο τρόπο μοντελοποίησης είναι δυνατόν να μελετηθεί πως επιδρά στις μηχανικές ιδιότητες του νανοσύνθετου υλικού η τιμή της διεπιφανειακής αντοχής, καθώς και ο τρόπος αποκόλλησης για απλές ή ανακυκλιζόμενες φορτίσεις. Επίσης εξετάζονται γεωμετρικές ατέλειες, όπώς κυματισμοί στο γραφένιο. Τα αριθμητικά αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι ο τρόπος μοντελοποίησης του γραφενίου με ισοδύναμα πεπερασμένα στοιχεία, είναι αποτελεσματικός για τη μοντελοποίηση σύνθετων υλικών σε πολλαπλές κλίμακες. Η επίδραση της διεπιφανειακής αντοχής και τα φαινόμενα ολίσθησης που προκύπτουν, κρίνονται σημαντικά στη μηχανική συμπεριφορά του υλικού, σε συμφωνία επίσης με την αντίστοιχη βιβλιογραφία. Για τη γένεση πλεγμάτων και τους αλγορίθμους βελτιστοποίησης χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό μαθηματικό πακέτο MATLAB. Για τις προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων στο γραφένιο και στο νανοσύνθετο υλικό, χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό πακέτο ABAQUS.	el
heal.abstract	In the present work, a method is introduced for the development of the equivalent continuum model of graphene sheets, with shell finite elements in multiple scales. The equivalent continuum model is then used for the modeling of graphene nanocomposite materials, with respect to the effect of the interfacial strength on the mechanical behavior. The simulations presented, are based on the use of classic continuum finite elements for the representation of the interatomic interactions, in the hexagonal carbon lattice of graphene. According to Molecular Structural Mechanics, the force field that defines the interatomic interactions can be replaced with beam finite elements. The mechanical and geometrical properties of the beam elements are analytically calculated by making use of equivalent strain energy criteria, providing great accuracy in the mechanical properties of the model. For the reduction of the computational effort required in larger models, the beam element mesh is replaced with fewer shell elements, capturing the effects occurring in the multiple size scales. For the calculation of the mechanical and geometrical properties of the equivalent shell elements, an optimization algorithm is developed, searching for the solution with respect to strain energy and displacement criteria of the original beam element model. As a result, a high accuracy and much more computationally efficient model of graphene in multiple scales is derived. The equivalent shell model is then used as the filler in the polymer matrix of the nanocomposite. For the nanocomposite a representative volume element is chosen, where the graphene sheet is embedded in a rectangular matrix. For the modeling of the matrix three dimensional 8-nodded continuum finite elements with linear material properties are chosen. The load transferring mechanism between the matrix and the filler is modeled as a cohesive zone, which is suitable for the study of failure and occurring slippage along the interface. The cohesive behavior is defined with a traction-separation law, where the traction vector between the two surfaces is calculated as a function of the separation. A predefined damage propagation model based on plastic displacement criteria is followed. With this specific way of modeling, it is possible to study efficiently the effects of the interfacial strength on the mechanical properties and behavior of the nanocomposite, in simple or cyclic loading conditions. The numerical results presented, reveal that the equivalent shell element model of graphene is an effective modeling technique along multiple scales and can capture efficiently phenomena that occur in interfacial strength depended behavior. In addition, the effect of wrinkles on graphene is also highlighted in the present study. The results present good agreement with the currently available literature on composite and nanocomposite materials interfacial debonding and delamination studies. For the mesh generation and optimization algorithms the commercial mathematical package MATLAB was used. For the finite element simulations of the graphene sheets and graphene nanocomposites the commercial simulation package ABAQUS was used.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Βησσαρίων	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Βησσαρίων	el
heal.committeeMemberName	Φραγκιαδάκης, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Σπηλιόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	53 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true