نوآوری در تحلیل شکست مواد هدفمند؛ رساله دکتری دانشکده هوافضا، برگزیده جشنواره پژوهش

میز خبری معاونت پژوهش و فناوری دانشگاه تهران:

به مناسبت انتخاب رساله دکتر سیدمحمدحسن ایزدی، دانش آموخته دانشکده مهندسی هوافضا به عنوان رساله دکتری نمونه در جشنواره پژوهش و فناوری سال 1404 دانشگاه تهران، با موضوع «ارائه‌ی معیار تحلیلی انرژی پایه‌ی شکست مود ترکیبی I/II برای مواد هدفمند»، گفتگویی با ایشان داشته‌ایم که در ادامه آمده است:

موضوع رساله و انگیزه انتخاب آن

در رساله‌ی دکترای خود، به توسعه و ارزیابی معیارهای تحلیلی برای پیش‌بینی شکست در مواد تابعی (Functionally Graded Materials - FGMs) با تمرکز بر مودهای ترکیبی I و II پرداختم. انگیزه اصلی من برای انتخاب این موضوع، نیاز مبرم به درک عمیق‌تر و ارائه روش‌های دقیق‌تر برای پیش‌بینی رفتار مواد کامپوزیتی پیشرفته در کاربردهای هوافضا بود.

مواد تابعی به دلیل قابلیت طراحی خواص مکانیکی متغیر در طول ضخامتشان، پتانسیل بالایی برای استفاده در سازه‌های هوایی و فضایی دارند، اما چالش‌های مربوط به پیش‌بینی شکست در این مواد، به‌ویژه تحت ترکیبی از انواع بارگذاری‌ها (مود I و II)، همچنان یکی از موانع اصلی برای بهره‌برداری کامل از آن‌ها محسوب می‌شود.

هدف ما در این پژوهش، توسعه چارچوبی تحلیلی بود که بتواند با دقت بالاتری این پدیده پیچیده را مدل‌سازی کرده و به مهندسان در طراحی ایمن‌تر و کارآمدتر سازه‌هایی که از این مواد بهره می‌برند، یاری رساند.

به طور خاص، تمرکز بر لحاظ کردن اثرات ناشی از ناحیه فرآوری شکست (Fracture Process Zone - FPZ) و در نظر گرفتن مکانیسم‌های پیچیده‌ی پیشروی ترک، از جنبه‌های نوآورانه این تحقیق بود.

مهم‌ترین دستاورد پژوهشی

مهم‌ترین دستاورد پژوهشی ما، ارائه معیارهای تحلیلی جدید شکست برای مواد تابعی با در نظر گرفتن ناحیه فرآوری شکست و تحلیل میکرو مکانیسم‌های رشد ترک است. این دستاورد، مشکلی اساسی در حوزه مهندسی مواد و سازه را حل می‌کند یعنی مشکل عدم وجود مدل‌های پیش‌بینی شکست دقیق و جامع برای مواد تابعی تحت بارگذاری‌های پیچیده.

پیش از این پژوهش، بسیاری از مدل‌های شکست، یا رفتار غیرخطی ناحیه اطراف نوک ترک (FPZ) را نادیده می‌گرفتند، یا به طور کامل به تحلیل میکرو مکانیسم‌های دخیل در رشد ترک، مانند پل‌زنی الیاف (fiber bridging) و اثرات آن بر منحنی مقاومت (R-Curve)، نمی‌پرداختند. این نقیصه‌ها منجر به پیش‌بینی‌های محافظه‌کارانه یا غیردقیق در مورد عمر مفید و ایمنی سازه‌های ساخته شده از مواد تابعی می‌شد.

در واقع، ما توانستیم با تلفیق تحلیل‌های سطح مقیاس بزرگ (معیارهای انرژی پایه) و تحلیل‌های سطح میکروسکوپی (میکرو مکانیسم‌های رشد ترک)، یک چارچوب جامع‌تر برای ارزیابی مکانیک شکست مواد تابعی فراهم کنیم.

کاربردهای تحقیق برای صنایع یا حوزه‌های مهندسی

این دستاورد، یعنی توسعه معیارهای تحلیلی دقیق‌تر برای پیش‌بینی شکست مواد تابعی، می‌تواند فواید و کاربردهای متعددی را برای صنایع و حوزه‌های مهندسی مختلف به همراه داشته باشد، به ویژه در صنایعی که با مواد پیشرفته سروکار دارند و نیازمند به حداکثر ایمنی و کارایی می‌باشند:

1. صنعت هوافضا:

• طراحی سازه‌های سبک‌تر و مقاوم‌تر: مواد تابعی به دلیل قابلیت تنظیم خواص، پتانسیل بالایی برای کاهش وزن سازه‌های هواپیما، فضاپیما و پهپادها دارند. معیارهای شکست دقیق‌تر به طراحان اجازه می‌دهد تا با اطمینان بیشتری از این مواد استفاده کرده و وزن را بدون به خطر انداختن ایمنی کاهش دهند.
• افزایش عمر مفید قطعات: پیش‌بینی بهتر عمر مفید قطعاتی مانند بدنه هواپیما، پره‌ها و اجزای موتور که تحت تنش‌ها و شرایط محیطی پیچیده قرار دارند، منجر به کاهش هزینه‌های نگهداری و افزایش ایمنی پرواز می‌شود.

2. صنعت خودروسازی: کامپوزیت‌های پیشرفته: استفاده از مواد تابعی در قطعات بدنه، شاسی و اجزای موتور خودروها می‌تواند به افزایش مقاومت در برابر ضربه و کاهش وزن کمک کند.

3. مهندسی عمران و سازه

4. صنعت انرژی: گونه‌هایی از این مواد، دارای خواص حرارتی بسیار بالایی می‌باشند که می‌توانند در کاربردهای خاص مورد استفاده قرار گیرند.

5. بیومدیکال: ایمپلنت‌های پزشکی: مواد تابعی به دلیل قابلیت تطبیق با خواص بافت‌های بیولوژیکی، در ساخت ایمپلنت‌های ارتوپدی (مانند مفصل ران یا زانو) و دندانپزشکی کاربرد دارند. درک دقیق رفتار شکست این مواد برای تضمین ایمنی بیماران ضروری است.

به طور خلاصه، این پژوهش با ارائه ابزارهای تحلیلی قوی‌تر، به افزایش ایمنی، کاهش وزن، افزایش عمر مفید و بهینه‌سازی هزینه‌ها در طیف وسیعی از صنایع کلیدی کمک می‌کند و راه را برای نوآوری و استفاده گسترده‌تر از مواد تابعی در کاربردهای پیشرفته هموار می‌سازد.

چالش‌های مسیر انجام تحقیق

یکی از مهم‌ترین چالش‌های اساسی در طول انجام این تحقیق، مدل‌سازی دقیق و هم‌زمان اثرات دو مقیاس متفاوت بود؛ یعنی، چگونه می‌توان رفتار سطح ماکروسکوپیک را به طور دقیق با پدیده‌های سطح میکروسکوپیک (مانند پل‌زنی الیاف و ناحیه فرآوری شکست) مرتبط ساخت.

در مواد تابعی، توزیع خواص مکانیکی به صورت پیوسته تغییر می‌کند. این تغییر توزیع، خود باعث تغییر در ماهیت و اندازه ناحیه فرآوری شکست و همچنین تأثیرگذاری بر مکانیسم‌های مقاومت دهنده مانند پل‌زنی الیاف می‌شود. مدل‌سازی تحلیلی که بتواند هم‌زمان این توزیع غیریکنواخت و اثرات غیرخطی محلی را در چارچوب انرژی شکست لحاظ کند، بسیار پیچیده است.

برای غلبه بر این چالش، رویکردی چند مرحله‌ای اتخاذ شد:

• توسعه روش ساخت بهینه: ابتدا روشی نوین برای ساخت مواد تابعی با کنترل دقیق زمان ژل شدن رزین توسعه دادیم. این امر اطمینان داد که نمونه‌های آزمایشگاهی ما از توزیع خواص مورد نظر پیروی می‌کنند و به ما اجازه داد تا داده‌های تجربی قابل اعتمادی برای اعتبارسنجی مدل تحلیلی به دست آوریم.
• رویکرد انرژی پایه اصلاح‌شده: به جای تکیه صرف بر معیارهای کلاسیک، چارچوبی تحلیلی بر پایه نرخ آزادسازی انرژی کرنشی (Strain Energy Release Rate) معرفی کردیم که به طور صریح پارامترهای وابسته به توزیع مواد را در بر می‌گرفت.
• مدل‌سازی پل‌زنی الیاف: بخش کلیدی کار، توسعه یک تابع تحلیلی برای مدل‌سازی رفتار پل‌زنی الیاف در حضور FPZ بود. این تابع بر اساس مشاهدات دقیق میکروسکوپ الکترونی (SEM) از نمونه‌های آزمایشگاهی کالیبره شد. این کار نیازمند تلفیق دانش نظری مکانیک شکست با نتایج تجربی در مقیاس میکرو بود.

در نهایت، این تلفیق روش ساخت کنترل‌شده، توسعه مدل تحلیلی انرژی پایه و مدل‌سازی مکانیسم‌های پل‌زنی الیاف و کالیبره کردن آن با نتایج میکرو مکانیکی، امکان ارائه یک معیار و مدل شکست مناسب را فراهم آورد که می‌تواند به طور مؤثر پدیده شکست در این کلاس از مواد را توضیح دهد.

سخن پایانی

انتخاب رساله بنده به عنوان پژوهش برتر دانشگاه تهران، باعث افتخار و خرسندی عمیق اینجانب است. این موفقیت را نتیجه تلاش مستمر و حمایت‌های بی‌دریغ استادان گرانقدرم، جناب آقایان دکتر مهدی فکور و دکتر بابک میرزاوند، می‌دانم و مراتب سپاس فراوان خود را به ایشان تقدیم می‌کنم. آینده این پژوهش را بسیار امیدوارکننده می‌بینم و امیدوارم بتوانیم در تحقیقات آتی، گامی مؤثر در پیشبرد این حوزه برداریم.

شرکت پارس مدیکیو و بنیاد فرهنگی مصلی نژاد، حامی میز خبری معاونت پژوهش و فناوری دانشگاه تهران