طراحي و ساخت كامپوزيت هاي مقاوم در برابر بارگذاري پيچشي با الهام از ساختار داخلي استخوان قشري

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

در سالهاي اخير مطالعات بسياري بر روي ساختارهاي طبيعي و الگوي قرار گيري مواد تشكيل دهنده ي ان ها صورت گرفته است. بررسي ها نشان مي دهد كه ارايش قرار گيري مواد اوليه ي تركيبات طبيعي ، تاثير به سزايي در بروز خو اص مكانيكي دارد. محققان درصدد استفاده از اين الگوها به جهت بهبود خواص مكانيكي كامپوزيت هاي ساخته شده از مواد مصنوعي هستند. يكي از ساختارهاي منحصر به فرد جهت الهام گيري، ساختار استخوان قشري انسان است. ساختار استخوان مقامت مناسبي در برابر انواع بارگذاري ها به ويژه بارگذاري پيچشي دارد. مطالعات نشان مي دهد كه شكل هندسي و نحوه ي قرار گيري ماده ي نرم موجود در استخوان قشري تحت عنوان استئون، تاثير به سزايي در بروز خواص مكانيكي از جمله خواص پيچشي دارد. هدف از انجام اين پروژه، الهام گيري از ساختار استخوان قشري انسان به جهت ساخت كامپوزيت هاي مقاوم در برابر تغيير شكل هاي ناشي از بار پيچشي است. در مرحله ي اول، ابتدا مدل هايي با الهام از ساختار استخوان طراحي و شبيه سازي شده و مدول برشي ان ها محاسبه و از بين مدل هاي طراحي شده، ساختارهايي كه از نظر سختي پيچشي در بهترين حالت قرار دارند، مشخص مي شوند. مدل هاي طراحي شده از دو ماده ي پليمري سخت و نرم تشكيل شده اند. در پژوهش حاضر، اثر نحوه ي قرارگيري ماده ي نرم به صورت دايروي، بيضوي، مارپيچي و لايه اي بررسي شده است. به جهت صحت سنجي نتايج عددي، دو ساختار نرم و سخت همگن به همراه دو ساختار ناهمگن، انتخاب و توسط دستگاه پرينتر سه بعدي موجود در دانشگاه صنعتي دلفت ساخته شده و تحت بارگذاري پيچشي قرار گرفته اند. نتايج به دست امده نشان مي دهد، كه در صورتي كه مواد نرم هم جهت با گشتاور پيچشي وارد بر ساختار قرار گيرند، به عبارتي به صورت لايه اي و يا بيضوي- محيطي در ماتريس زمينه جاي گيرند، مدول برشي افزايش مي يابد. از طرفي هر چه تعداد لايه هاي ماده ي نرم افزايش يابد و ماده ي نرم به صورت همگن تر در بين ماده ي سخت پخش شود، مدول برشي نيز افزايش مي يابد. با توجه به اينكه در مرحله ي اول سخت ترين ساختارها مشخص شده است، در دو مرحله ي بعد جهت به دست اوردن مناسب ترين ارايش چينش مواد، از روش هاي هوشمند استفاده شده و نتايج به دست امده با نتايج مرحله ي قبل مقايسه شده است. در مرحله ي قبل استخوان قشري الگوي طراحي ساختارها در نظر گرفته شده است. اما در دو مرحله ي بعد به منظور دست يابي به مقاوم ترين ساختارها، الگوي اوليه وجود نداشته و به صورت هوشمند ساختارهاي مقاوم مشخص مي شوند. يكي از روش هاي هوشمند در نظر گرفته شده، استفاده از روش بهينه سازي الگوريتم ژنتيك است. در اين مرحله، كد مربوط به الگوريتم ژنتيك به شيوه اي نوشته شده است كه ابتدا يك ساختار با ارايش مواد به صورت تصادفي انتخاب كرده )پايين ترين مدول برشي( و در هر مرحله در تلاش است ساختارهايي با مدول برشي بيش تر ايجاد كند. در نهايت مدول برشي به دست امده در تكرار نهايي برابر با 185/10مگاپاسكال مي باشد. از انجايي كه امكان دارد برخي از ارايش هاي موجود توسط الگوريتم ژنتيك ناديده گرفته شود، به جهت بررسي ارايش هاي مختلف در مرحله ي سوم از روش هوشمند شبكه ي عصبي استفاده شده است. باتوجه به اينكه لازم است داده هاي زيادي به عنوان ورودي به شبكه ي عصبي داده شود، از داده هاي به دست امده از قسمت مربوط به الگوريتم ژنتيك استفاده شده است. نزديك به نه هزار ارايه ي مختلف به همراه مدول برشي ان ها از الگوريتم ژنتيك به دست امده است كه اين داده ها در فرايند يادگيري سبب مي شوند ضرايب مجهول به درستي محاسبه شوند. نتايج نشان مي دهد كه هوش عصبي نسبت به الگوريتم ژنتيك به الگوهايي با مدول برشي بزرگتر دست يافته است. مقايسه ي نتايج حاصل از مرحله ي اول و نتايج به دست امده از روش هاي هوشمند الگوريتم ژنتيك و شبكه ي عصبي، نشان مي دهد كه الگوريتم ژنتيك و هوش عصبي به خوبي توانسته اند ساختارهايي مقاوم با شباهت بسيار به ساختارهاي مقاوم به دست امده با الهام از طبيعت پيش بيني كنند.

212476

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان

محمد ميرزاعلي

مهدي كاروان، محمود فرزين

احسان فروزمهر