1. Se considera rezultatele din literatura de specialitate de top (in domeniu), precum si rezultatele anterioare obtinute de directorul de proiect si echipa de cercetare (privind simularea controlului inteligent al amortizarii in depozite nanostructurate (foi de grafit, nanotuburi de carbon, nanogrinzi) si programe de simulare a nanomecanismelor fundamentale de amortizare in rezonatori nanoelectromecanici), si se analizeaza aceste rezultate calitativ si cantitativ. Pe scurt, in cadrul rezultatelor anterioare s-a realizat simularea la nivel molecular a producerii unei folii stratificate periodice Cu-Ni, 66% Cu. Aceasta folie manifesta proprietati situate in afara limitelor ingineresti obtinute prin simpla regula a mixturii. De exemplu, folia raporteaza un modul de elasticitate Y[100] de 18.9 TPa (Y[100] pentru un aliaj omogen Cu-Ni cu aceeasi compozitie este 0.14 TPa) si o capacitate de disipare a energiei de 75 ori mai mare decat a structurii omogene. De asemenea, nanostructurile feromagnetice pot avea proprietati extrem de diferite fata de proprietatile materialelor constituente, iar capacitatea de amortizare poate fi imbunatatita substantial prin control la scara nanometrica. In lucrare s-a realizat: Teoria si modelarea fenomenelor de disipare a energiei la dimensiune mica (<1 micron), incluzand aspecte mecanice, electrice, termice, magnetice, si optice. Se demonstreaza ca amortizarea nu poate fi exprimata printr-un singur termen fenomenologic in ecuatiile de evolutie, ea reprezentand efectul mai multor mecanisme de disipare:
-
Simularea fenomenelor de disipare a energiei la scara nanometrica si elaborarea de strategii privind controlul inteligent al fenomenelor de amortizare atat la scara nanometrica (1-100 nm) cat si la scara mezometrica (100-1000 nm).
-
Simularea producerii unui depozit prin procesul depunerii atom cu atom (depunere fizica din vapori) de grosimea unui singur strat (0.2 nm) sau a sute de straturi (>100 nm). Astfel, mai mult de 75 din cele 92 elemente naturale pot fi incorporate in structura sub forma elementara, componente sau aliaje.
-
Simularea controlului inteligent al disiparii energiei intr-un depozit ce contine pana la 225.000 straturi metalice vascoelastice (folii de pana la 500μ grosime ).
-
Realizarea de aplicatii si verificarea modului de functionare a sistemului
Ca urmare a modelarii complexe a fenomenului de amortizare, pe langa reducerea amplitudinilor marimilor fizice de control, a fost luat in consideratie si fenomenul relaxarii tensiunilor. Mecanismul de relaxare cu comportament vascoelastic, poate fi explicat prin variatia campului de tensiune in material.
Consideram doua stari ale unui sistem mecanic, caracterizate prin doua valori diferite ale energiei, separate printr-un potential bariera sau energie de activare, de amplitudine (Fig. 1). In figura, este coeficientul de expansiune termica si , temperatura absoluta. Inainte de aplicarea fortei exterioare, sistemul se afla in starea sa de energie minima. Prin aplicarea unei forte exterioare, energia sistemului creste. Daca sistemul poate depasi potentialul bariera, atunci este posibila tranzitia de la prima stare la starea a doua, si sistemul se relaxeaza deoarece diferenta dintre energiile celor doua stari se pierde.
Pentru a descrie matematic fenomenul de relaxare a tensiunilor utilizam modelele reologice. S-au analizat cateva modele modele reologice, si anume un element elastic Hooke care descrie comportarea elastica, un element Newton pentru a descrie comportarea vascoasa, un element St. Venant pentru descrierea amortizarii coulombiene, si un element Zener pentru descrierea relaxarii tensiunilor. Elementul Zener consta dintr-un element Hooke legat in paralel cu un element Newton, si un element aditional Hooke legat in serie.
Fig. 1. Influenta unei forte exterioare asupra energiei unui sistem mecanic.
In cadrul proiectului s-au realizat programe de simulare a controlului amortizarii in structuri. S-au studiat cateva probleme de control inteligent al amortizarii : cu aplicatii la reducerea vibratiilor la masini unelte si aeronautica dintre care:
1. Mecanism de amortizare cu straturi vascoelastice (Fig.2)
Fig.2. Mecanism de a mortizare cu straturi vascoelastice.
2. Mecanism de actiune cu elemente PZT la intindere si alunecare (Fig.3).
Fig. 3. Mecanisme de actiune PZT la intindere si alunecare.
3. Bara stratificata alcatuita din materiale vascoelastice (Fig. 4).
Fig. 4. Bara stratificata din materiale vascoelastice
4. Placa sandwich alcatuita din straturi vascoelastice supusa la solicitari complexe Fig.5 sunt reprezentate cateva moduri de deformatie controlate.
Fig.5. Primele trei moduri controlate ale placii sandwich
Concluziile acestor analize vor da strategia dezvoltarii conceptelor si ideilor novatoare din acest grant/
2. Metodologia cercetarii proprie acestui grant consta in dezvoltarea unor idei noi, care se bazeaza pe rezultatele directorului de grant si a echipei de cercetare din ultimii ani si urmareste planul de lucru descris mai sus.
Modelarea la scara nanometrica este un domeniu nou de cercetare cu un potential puternic de simulare pe computer. Nanostiinta computationala ajuta la intelegerea unor subiecte stiintifice importante cum ar fi nanocontactele si indentarea. Scopul proiectului este modelarea nanocontactelor si a indentarii cu ajutorul unor noi teorii cuplate atomistic-continue. Indentarea este insotita de o serie de fenomene (a) avalansa discontinuitatilor energiei de contact, (b) histerezis pronuntat la ciclii incarcare-descarcare, (c) difuzie atomica locala, (d) fluaj, (e) generarea si multiplicarea dislocatiilor, (f) forfecarea omogena a planelor atomice, (g) curgere plastica, (h) relaxare, (i) formarea gradientilor de temperatura.. Aceste fenomene au fost puse in evidenta experimental dar nu au fost explicate pana in prezent nici cu teoriile existente si nici experimental. Scopul nostru este de a intelege si explica aceste fenomene. Obiectivele constau in dezvoltarea de modele noi ale suprafetelor in contact la scara macroscopica, mezoscopica si nanoscopica, modelarea nanoscopica a contactului si a indentarii incluzand fenomenele mentionate mai sus, simularea unor experiente virtuale de indentare si comparatii cu rezultatele experientelor reale. Ne asteptam ca rezultatele sa fie calitativ si cantitativ in acord cu rezultatele experientelor gasite in literatura, acolo unde exista. Odata ce simularile numerice demonstreaza siguranta acestor metode noi, simularile pot fi privite ca experiente realist simulate pe computer. Ideia este ca in viitor sa putem utiliza simularile la scara atomica pentru a descoperi noi tipuri de experiente, de exemplu pentru studiul nanocontactelor de tip ceramica-nanotuburi de carbon. Vom intelege in ce mod teoriile cuplate atomistice-mezoscopice-macroscopice pot explica plauzibil mecanismele complexe care insotesc indentarea, si pot fi un instrument pretios la interpretarea datelor si la proiectarea unor noi experiente.
Cheia metodologiei si a planului de lucru consta in dezvoltarea metodelor si instrumentatiei pentru investigarea proprietatilor elastice si vasco-elastice ale materialelor nanostructurate.
|
