Numeričko modeliranje mehaničkog ponašanja nanokompozitnih struktura : doktorska disertacija

Abstract

U ovom je radu predstavljeno numeričko modeliranje mehaničkog ponašanja nanokompozitnih materijala, zasnovano na računalnoj homogenizaciji kao višerazinskoj metodi modeliranja. Kao uvod, dana je kratka povijest nanomaterijala i teorijska pozadina o ugljičnim nanocijevima i numeričkom modeliranju istih. Također, dana je teorija o kompozitnim materijalima, budući se na teoriji kompozita zasniva i teorija nanokompozitnih materijala. Posebna pozornost obraćena je međudjelovanju između osnovne matrice nanokompozitnog materijala i ugljične nanocijevi kao poboljšanja te je predstavljen način numeričkog modeliranja takvih međudjelovanja koji se najvećim djelom zasnivaju na slabim van der Waals vezama. U svrhu analize tih međudjelovanja razvijen je i poseban program, koji na osnovu zadanih parametara omogućuje modeliranje veze između matrice nanokompozita i nanocijevi ili između dva različita sloja unutar višestrukih ugljičnih nanocijevi. Problem modeliranja nanokompozitnih struktura je višerazinski problem, stoga je dio rada posvećen višerazinskim metodama, gdje je veća pažnja posvećena računalnoj homogenizaciji prvog reda. Upravo je na računalnoj homogenizaciji prvog reda i upotrebi reprezentativnog volumnog elementa baziran program za numeričko modeliranje nanokompozita. U svrhu verifikacije programa, dana su 4 modela nanokompozitnih materijala, različitih karakteristika, a dobiveni rezultati uspoređeni su s rezultatima drugih autora.A method for the numerical modelling of mechanical behaviour of nanocomposite materials, which is based on computational homogenization as a multiscale method, is presented in this work. As an introduction, a brief history of the nanomaterials and theoretical background about the carbon nanotubes and numerical modelling of the carbon nanotubes is presented. Also, the theory about composite materials is given, since it is also the basis of the nanocomposite materials theory. A special attention is devoted to the nanocomposite matrix and reinforcement interaction. A method of numerical modelling of those interactions, which are mainly based on the weak van der Waals forces, is presented. An algorithm is developed for analysis of those interactions, which enables modelling of bonds between nanocomposite matrix and nanotubes or between two different layers of multiwalled carbon nanotubes, based on input parameters. Since the problem of modeling nanocomposite structures is a multiscale problem, one part of this work is dedicated to multiscale modeling methods, especially to the first order computational homogenization. Computational homogenization and representative volume element are the basis of the presented software for numerical modelling of the nanocomposites. For the purpose of the software verification, 4 models of the nanocomposite material, with different characteristics, are presented. Obtained results are compared with the results from the other authors