Μη γραμμική προσομοίωση μηχανικής συμπεριφοράς νανοσωλήνων άνθρακα με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων

Θεοδωρίδης, Χαράλαμπος; Theodoridis, Charalampos

dc.contributor.author	Θεοδωρίδης, Χαράλαμπος	el
dc.contributor.author	Theodoridis, Charalampos	en
dc.date.accessioned	2020-09-22T09:45:47Z
dc.date.available	2020-09-22T09:45:47Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51120
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18818
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Νανοσωλήνες άνθρακα	el
dc.subject	Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων	el
dc.subject	Μέτρο ελαστικότητας	el
dc.subject	Μέτρο διάτμησης	el
dc.subject	Μη γραμμική συμπεριφορά	el
dc.subject	Carbon nanotubes	en
dc.subject	Finite element model	en
dc.subject	Young modulus	en
dc.subject	Shear modulus	en
dc.subject	Morse potential	en
dc.title	Μη γραμμική προσομοίωση μηχανικής συμπεριφοράς νανοσωλήνων άνθρακα με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Νανουλικά	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-09-27
heal.abstract	Προτείνεται ένα τρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό την προσομοίωση των βασικών μηχανικών ιδιοτήτων μονοτοιχωματικών νανοσωλήνων άνθρακα (single-walled carbon nanotubes). Η θεμελίωση του μοντέλου βασίζεται στην υπόθεση ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα όταν υπόκεινται σε μηχανική φόρτιση, συμπεριφέρονται ως χωροδικτυώματα. Πιο συγκεκριμένα, στο παρόν μοντέλο, γίνεται η παραδοχή ότι οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων άνθρακα δύνανται να προσομοιωθούν με στοιχεία δοκού (beam elements), ενώ τα άτομα άνθρακα θεωρούνται ως κόμβοι μεταξύ των δοκών. Στην παρούσα εργασία, διερευνάται κατά πόσο η επιλογή του πεπερασμένου στοιχείου που χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση των δοκών δύναται να επιφέρει διαφοροποίηση στα λαμβανόμενα αποτελέσματα. Πέραν αυτού, διερευνάται η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του νανοσωλήνα στο μέτρο ελαστικότητας και στο μέτρο διάτμησης του. Τέλος, εκτελείται μια σειρά από προσομοιώσεις για να ελεγχθεί κατά πόσο ο λόγος Poisson των δοκών επηρεάζει το μέτρο ελαστικότητας των νανοσωλήνων. Για τους ανωτέρω σκοπούς εκτελέστηκε μια σειρά από προσομοιώσεις σε νανοσωλήνες άνθρακα τύπου armchair και zigzag. Ένα πρώτο βασικό συμπέρασμα που εξήχθη από την παρούσα εργασία είναι ότι η λανθασμένη επιλογή πεπερασμένου στοιχείου για την μοντελοποίηση των δοκών μπορεί να επιφέρει σοβαρό σφάλμα στα υπολογιζόμενα μέτρα ελαστικότητας και διάτμησης του νανοσωλήνα. Αυτή η παρατήρηση θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική μιας και στα αποτελέσματα που έχουν παρουσιασθεί μέχρι τώρα στη σχετική βιβλιογραφία, δεν δίνονται λεπτομέρειες σχετικά με τον τύπο του πεπερασμένου στοιχείου που έχει χρησιμοποιηθεί. Επιπλέον διαπιστώθηκε ότι η επιλογή του μήκους του νανοσωλήνα πρέπει να υπερβαίνει μια «οριακή» τιμή (της τάξης των 10 nm) ώστε τα λαμβανόμενα αποτελέσματα να μην εμφανίζουν εξάρτηση από αυτό. Οι παρατηρήσεις αυτές ισχύουν τόσο για νανοσωλήνες τύπου armchair, όσο και zigzag. Σε ότι αφορά την επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών ενός νανοσωλήνα στις βασικές μηχανικές του ιδιότητες βρέθηκε ότι το μέτρο ελαστικότητας Young αυξάνει ελαφρά συναρτήσει της διαμέτρου του νανοσωλήνα, μέχρι μια «οριακή» διάμετρο άνω της οποίας παραμένει πρακτικά ανεξάρτητο. Πιο συγκεκριμένα, μπορεί να θεωρηθεί ότι τόσο για τους armchair όσο και για τους zigzag νανοσωλήνες το μέτρο ελαστικότητας τους είναι της τάξης του 1 TPa, τιμή η οποία είναι σε συμφωνία με την γενικά αποδεκτή τιμή που αναφέρεται στη σχετική βιβλιογραφία. Αντίστοιχησυμπεριφορά παρατηρήθηκε και για το μέτρο διάτμησης, το οποίο συγκλίνει προς την τιμή των 0.5 TPa. Τέλος, ο λόγος Poisson των δοκών δεν βρίσκεται να έχει σημαντική επίδραση στα λαμβανόμενα αποτελέσματα. Στο τελευταίο κομμάτι της εργασίας έγινε μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς νανοσωλήνων άνθρακα στη μη γραμμική περιοχή παραμορφώσεων. Για την περιγραφή της μη γραμμικής συμπεριφοράς χρησιμοποιήθηκε το δυναμικό Morse, όπου η σχέση δύναμης–παραμόρφωσης είναι σημαντικά μη γραμμική για παραμορφώσεις μεγαλύτερες από περίπου 10%. Κατασκευάστηκαν διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης για τους νανοσωλήνες άνθρακα (12.12) και (20.0) και έγινε σύγκριση τους με αποτελέσματα της βιβλιογραφίας. Συμπερασματικά, το προτεινόμενο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων αποτελεί ένα αξιόλογο εργαλείο μελέτης της μηχανικής συμπεριφοράς νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχώματος, δεδομένου ότι δεν παρουσιάζει σημαντικές αποκλίσεις τόσο από άλλα θεωρητικά μοντέλα, όσο και από αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις, ενώ το υπολογιστικό του κόστος είναι ιδιαίτερα μικρό δεδομένου ότι μια προσομοίωση διαρκεί περίπου 1 λεπτό σε έναν σύγχρονο επιτραπέζιο υπολογιστή.	el
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false