ترجمه فارسی عنوان مقاله
تحلیل حساسیت طراحی برای تانسور ارتجاعی همگن پلیمرِ پرشده با ذرات لاستیک
عنوان انگلیسی
Design sensitivity analysis for the homogenized elasticity tensor of a polymer filled with rubber particles
کد مقاله | سال انتشار | تعداد صفحات مقاله انگلیسی |
---|---|---|
26926 | 2014 | 10 صفحه PDF |
منبع
Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)
Journal : International Journal of Solids and Structures, Volume 51, Issues 3–4, February 2014, Pages 612–621
فهرست مطالب ترجمه فارسی
چکیده
کلمات کلیدی
۱- مقدمه
2. روش همگنسازی
شکل 1. آرمانیسازی ویژه ترکیب دورهای دو مولفه.
شکل 2. گسستهسازی ABAQUS از RVE برای پلیمرهای پرشده از لاستیک.
جدول 1. مقایسه تکنیکهای مختلف همگنسازی برای ترکیب پرشده از ذره.
3. تحلیل حساسیت در همگنسازی
شکل 3. ضرائب حساسیت انرژی درونی U1 با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
4. تحلیل عددی
شکل 4. ضرائب حساسیت انرژی درونی U12 با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
جدول 2.ضرائب حساسیت مولفههای تانسور ارتجاعی اثربخش برای پارامترهای محاسبه شده با استفاده از (a) روش تابع پاسخ، (b) روش تفاوت متناهی مرکزی و (c) روش تحلیلی.
شکل 5. ضرائب حساسیت با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
شکل 6. ضرائب حساسیت با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
شکل 7. ضرائب حساسیت با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
5. اظهارات نهایی
تقدیر و تشکر
کلمات کلیدی
۱- مقدمه
2. روش همگنسازی
شکل 1. آرمانیسازی ویژه ترکیب دورهای دو مولفه.
شکل 2. گسستهسازی ABAQUS از RVE برای پلیمرهای پرشده از لاستیک.
جدول 1. مقایسه تکنیکهای مختلف همگنسازی برای ترکیب پرشده از ذره.
3. تحلیل حساسیت در همگنسازی
شکل 3. ضرائب حساسیت انرژی درونی U1 با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
4. تحلیل عددی
شکل 4. ضرائب حساسیت انرژی درونی U12 با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
جدول 2.ضرائب حساسیت مولفههای تانسور ارتجاعی اثربخش برای پارامترهای محاسبه شده با استفاده از (a) روش تابع پاسخ، (b) روش تفاوت متناهی مرکزی و (c) روش تحلیلی.
شکل 5. ضرائب حساسیت با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
شکل 6. ضرائب حساسیت با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
شکل 7. ضرائب حساسیت با توجه به (a) ضریب یانگ ذره (چپ بالا)، (b) ضریب یانگ ماتریس (راست بالا)، (c) نسبت پواسون ذره (چپ پایین) و (d) نسبت پواسون ماتریس (راست پایین).
5. اظهارات نهایی
تقدیر و تشکر
ترجمه کلمات کلیدی
روش همگن -
تجزیه و تحلیل حساسیت -
روش حداقل مربعات -
پلیمرهای ذرات پر -
روش اجزاء محدود -
کلمات کلیدی انگلیسی
Homogenization method,
Sensitivity analysis,
Least-squares method,
Particle-filled polymers,
Finite Element Method,
Representative Volume Element,
ترجمه چکیده
هدف اصلی این اثر شبیهسازی محاسباتی ضرائب حساسیت تانسور همگن برای پلیمرهای پرشده با ذرات لاستیک با توجه به پارامترهای مادی مواد تشکیلدهنده است. عنصر حجم معرفِ (RVE) این ترکیب حاوی تک ذره کروی است و مولفههای ترکیبی به عنوان واسطههای ایزوتروپی همگن تلقی شدهاند که منتج به ماده همگن اثربخش ایزوتروپی میشود. تحلیل حساسیت در این مقاله به واسطه تکنیک نیمه تحلیلی با استفاده از کد تجاری FEM ABAQUS و بسته محاسباتی نمادین MAPLE اجرا شده است. برای مقایسه، در روش تحلیلی از فرمولهای جبری جمعِ مشتق گرفته شده برای تانسور همگن برای واسطه پر شده با محتویات کروی استفاده میشود، در حالی که تکنیک مبتنی بر FEM از کارکردهای واکنش چندجملهای بازیابی شده از روش حداقل-مجذور وزنی استفاده میکند. تکنیک همگنسازی متشکل از برابری انرژیهای تغییرشکل نسبی برای ترکیب واقعی و ماده ایزوتروپی مصنوعی توصیف شده با تانسور انعطافپذیر اثربخش است. مسئله همگنسازی با استفاده از ABAQUS با کاربرد تغییرشکل یکنواخت بر سطوح بیرونی خاص ترکیب RVE و استفاده از عناصر متناهی چهاروجهی C3D4 حل میشود. رویکرد انرژی برای کاربرد آتی مدلهای ساختاری واقعیتر پلیمرهای پرشده از لاستیک نظیر مولینز و RVEها با اندازه بزرگتر مجاز خواهد بود که حاوی انباشت ذرات لاستیک است.
ترجمه مقدمه
روش همگنسازی برای پیشبینی ذرات لاستیک پلیکریستالها بر مبنای ویژگیهای تککریستال ایجاد شده است، و نسبتاً ایدهای قدیمی است (Kröner, 1958)؛ برخی آثار انجام شده توسط وویجت که در این پژوهش ذکر شده به قرن نوزدهم برمیگردد. این تکنیک به شکلی موفق برای پیشبینی ویژگیهای اثربخش ترکیبهای متشکل از فیبرها و ذرات تقویتکننده (Christensen, 1979) با استفاده از برخی محدودههای بالا و پایین یا تقریبهای مستقیم به کار رفته است و برای میدانهای مغناطیسی، حرارتی و الکتریکی نیز استفاده شده است (Milton, 2002). در حال حاضر، مسائل همگنسازی را با استفاده از کاربردهای محاسباتی روش عنصر متناهی (FEM) حل کردهایم تا مسائل نمونه را برای عنصر حجم معرف (RVE) ساختار ناهمگن کلی برای پیشبینی ویژگیهای فیزیکی معادلش حل کنیم. اصولاً دو روش متفاوت وجود دارد، حداقل در میکرومکانیک واسطههای ناهمگن، تا این هدف را اجرا کنیم. روش اول مبتنی بر فرض دورهای است، که در آن ویژگیهای اثربخش با استفاده از روش گسترش هندسی محاسبه شدهاند (Bensoussan et al., 1978; Kalamkarov and Kolpakov, 1997; Kamin´ ski, 2005; Sanchez-Palencia, 1980)، در حالی که رویکرد دوم مبتنی بر تعیین انرژی تغییرشکل نسبی ناشی از اجرای میدان های تغییرشکل نسبی یکنواخت برای RVE است (و نیازمند شرایط دورهای نیست) (Kushnevsky et al., 1998). با این حال، امروز کاربردهای روش همگنسازی خیلی فراتر از میکرومکانیک کامپوزیتها است و به ساختارهای نانوکریستال (El-Khoury et al., 2011; Gürses and ElSayed, 2011)، روابط اساسی غیرخطی برای پلیکریستالها (Sundararaghavan and Zabaras, 2006) و حتی مسائل تماس خاص (Belgith et al., 2010) میپردازند. خود تحلیل حساسیت (Frank, 1978; Haug, 1986; Kleiber et al., 1997) و رابطهاش با مشخصات همگن کامپوزیتها مسئله نظری جدیدی نیست (Fish and Ghouali, 2001; Kaminski, 2003). این رابطه در روشهای تحلیل حساسیت کلاسیک نظیر روش تفاوت متناهی (FDM) (Kaminski, 2003)، روش تمایز مستقیم (DDM) و روش متغیر مجاور (AVM) بررسی شده است. این روش برای محاسبه ضرائب حساسیت تانسورهای اثربخش با توجه به ویژگیهای مولفههای اصلی (Noor and Shah, 1993; Kaminski, 2005)، برای مکاننماییهای خاص (Hassani and Hinton, 1998; de Kruijf et al., 2007) یا بهینهسازی شکل (Rohan and Miara, 2006) اجرا میشود و مربوط به ادراک کامپوزیتهایی با عدمقطعیت نیز هست (Kaminski, 2009; Arwade and Deodatis, 2011). این حوزه تحقیقاتی ویژه هنوز توجه زیادی به خود جلب میکند، و نتایج فراوانی هست که به مسائل محاسباتی (Davis and Singler, 2011; Kowalczyk, 2012)، اثر مقیاس-جفتشدگی (Unger and Könke, 2008)، کاربردهای حرارتی-الکترو-مغناطیسی (Choi and Yoo, 2008; Zhou and Li, 2008) و نانوسازهها (Benai and Wenig, 2009) میپردازند، اما روشهای ثبت شده هنوز اجرا میشوند و درباره آنها بازنگری میشود (Neto et al., 2010; Yu et al., 2012).
با ملاحظه بحث بالا، مسئله اصلی این مقاله بررسی محاسباتی ضرائب حساسیت انرژی تحت تغییرشکل نسبی یکنواخت RVE و بررسی تانسور همگن منتج با توجه به پارامترهای ارتجاعی مولفههایش است. اگرچه تحلیل 3D FEM برای ترکیب پرشده از نوعی خاص ذره نشان داده میشود، روششناختی برای ترکیبهای تقویت شده با فیبرهای کوتاه یا بلند نیز معتبر است. پژوهشهای مشابه قبلاً اجرا شدهاند (Yanase and Ju, 2012) اما تنها برای ترکیبهایی که تقویت شدهاند، نه ترکیبهایی که با ذرات پر شدهاند (Burr and Monnerie, 2000)؛ در این مورد، البته، ماتریس ضریب کوچکتر یانگ و معمولاً نسبت بزرگتر پواسون دارد. روش تعیین ضرائب حساسیت برای ترکیبهای تقویتشده-ذرهای مشابه مانده است، اما ممکن است نتایج کیفی متفاوت تولید کند. با این حال، تحلیل حساسیت به شکلی غیرسنتی اجرا میشود، با استفاده از کارکردهای چندجملهای واکنش که تمام مولفههای تانسور ارتجاعی اثربخش را برای پارامترهای مادی پایه مولفههای ترکیب مرتبط میکند، و همگی به شکلی نیمه تحلیلی تعیین شدهاند (اصطلاحاً روش تابع پاسخ یا RFM). ابتدا، این تابعهای پاسخ با استفاده از راهحلهای مختلف مسئله RVE با پارامترهای طراحی نوسانی پیرامون مقادیر میانگین و با استفاده از نسخه وزنی کلاسیک روش حداقل-مجذور (WLSM) ایجاد شدهاند (Kaminski, 2013). این روش در برنامه کامپیوتری نمادین MAPLE، نسخه 14، اجرا میشود تا ضریبهای ناشناخته این فرم چندجملهای بازیابی شود. در ادامه، از تمایز تحلیلی برای محاسبه ضریبهای حساسیت تانسور همگن استفاده میکنیم، و علاوه بر این، این ضرائب به عنوان تابعهایی از پارامترهای طراحی ورودی در مجاورت دقیق مقادیر میانگینشان مشتق شدهاند و با توجه به ترتیب تقریب چندجملهای هستند. این رویکرد میانگین اثربخش برای مهندسی بهینهسازی این ترکیب ماتریس و پرکن فراهم میکند، که در آن هنوز فرصتی برای اصلاح ویژگیهای الاستیکی مولفههایی در فاصلههای خاص در طی روند تولید وجود دارد. آزمایشهای عددی در شبکه خیلی متراکم اجرا شد تا حساسیت شبکهای ضریبهای تعیین شده را حذف کند و از عناصر متناهی چهاروجهی در برنامه تجاری ABAQUS استفاده کند، که در آن تصدیق مفصل تداوم فاصله اجرا شد تا برخی گسستگیهای سه بعدی در گسترههای آتی این مدل اجرا شود (Yanase and Ju, 2012). این گسستهسازی FEM مفصل الزام برای هر نوع روش انطباق شبکه را حذف میکند، اما برای کاربردهای آتی، انطباق برای بهینهسازی شبکه توصیه خواهد شد. مزیت این شبکه ریز و، در عین حال، تصدیق مثبت روش توافق کامل ویژگیهای همگن منتج است که به لحاظ تحلیلی با دنبال کردن روش اشلبی به دست میآید (Christensen,1979) و تنها مبتنی بر کسرهای حجمی است؛ برای مثال، این وضعیت به شرطی ممکن است تغییر کند که شکل ذره کروی با شکل بیضوی جایگزین شود. باید تاکید کرد که کل تلاش محاسباتی نیازمند n دفعه تلاش برای حل قطعی مسئله RVE است، که در آن n کل تعداد نقاط آزمون ضروری برای ساخت تابعهای پاسخ است (چهار مجموعه متفاوت پاسخهای مرتبط با تمام پارامترهای طراحی ورودی و سه پاسخ برای هرکدام از این مولفهها). اولین بخش کاملاً با استفاده از FEA سیستم ABAQUS اجرا شد، در حالی که تقریب با استفاده از سیستم MAPLE اجرا شد. پردازش بیشتر عددی این تابعهای پاسخ در طی رایانش تحلیلی هردو ضریب مرتبه اول و دوم خیلی سریع است، در حالی که استفاده از الگوریتمهای تفاوت متناهی مرکزی معمولاً مصرف زمان کل راهحل را دو برابر میکند.