Computational Aspects of a Multiscale Modeling Approach for Heterogeneous Materials under Multiphysics Loadings. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF (PhD Dissertation)
Disseration_Muhammad_Usama_Siddiqui.pdf - Published Version Download (13MB) | Preview |
Arabic Abstract
زاد الإهنمام في السنوات الأخيرة بالمستويات المختلفة للأبعاد المكانية التي تحكم ميكانيكا المواد، حيث يهتم الباحثون بإيجاد وتعريف العلاقات التي تربط بين هذه المستويات المختلفة من الأبعاد والأطوال، وذلك نسبة لأن مجال تصميم البرامج التحسبيبية للمحاكاة متعددة المستويات يعني بإيجاد هذة العلاقات بين المستويات البعدية والطولية المختلفة، وكذلك المستويات الزمنية المختلفة. الهدف الأساسي من الطرق المتبعة في هذا المجال هو حساب وتوقع سلوك المواد في المستوي المجهري، وذلك عن طريق محاكاة هياكل هذه المواد في أبعاد صغيرة تصل إلي مايكروميتر أو حتي نانوميتر، وقد تكون المواد في هذا المستوي البعدي غير متجانسة، أو قد تكون خصائصها غير متساوية في كل الإتجاهات، كما أنها قد تحتوي علي عدة أطوار أو حالات مختلفة للمادة وليست حالة واحدة. الهدف من هذه الدراسة هو تطوير طرق تحسبيبة يمكنها تقدير خصائص المواد، وإنشاء نموذج تحسيبي تأسيسي قادر علي التعامل مع المواد الغير متجانسة. من أجل تحقيق أهداف هذه الدراسة تم تطوير أدوات تحسبيبة تقوم بحساب الخصائص الإلكتروميكانيكية المتجانسة للمواد الغير متجانسة، وتم التحقق من صحة هذه الأدوات التحسبيبة بمقارنة نتائجها مع قراءات أخذت من تجارب معملية. تم تطوير نموذج تحسيبي ذو مستويات بعدية متعددة، بحيث يمكنه إستخدام الأدوات التحسيبية الخاصة بحساب الخصائص المتجانسة التي تم تطويرها، والإستفادة منها في توقع وحساب سلوك المواد عند نقاط التكامل الخاصة بنموذج العناصر المنتهية. من أجل تقدير الخصائص الهيكلية المتجانسة للمواد الغير متجانسة، تم تطوير طريقتين لحساب التجانس، الطريقة الأولي هي عملية التجانس التحسيبية، والطريقة الثانية هي تجانس الحقل المتوسط، وكذلك تم تطبيق الطريقتين والتحقق من عملهما عن طريق المقارنة مع بعض القراءات المعملية الحقيقية، وذلك للمواد المركبة الحبيبية. تم إقتراح تطوير علي طريقة تجانس الحقل المتوسط بحيث تمكنها من توقع تأثير الحببيبات صغير الحجم للمادة ذات النسبة الأكبر في المواد المركبة والتي يصل قطرها الي عدة نانوميترات، والحبيبات ذات الحجم الصغير للمادة ذات النسبة الأقل في المواد المركبة أيضا ، وكذلك تأثير متغيرات عملية تصليب المواد من الباودر (sintering) . بإستخدام هذا النموذج التحسيبي، تم الوصول للخلاصة التالية : أن تقليل حجم حبيبات المادة ذات النسبة الأكبر من عناصر المواد المركبة، له التأثير الأقوي في زيادة قوة المادة المركبة والتي يكون العنصر الأساسي فيها عبارة عن معدن. لتقدير وحساب الموصلية الحرارية للمواد المركبة، تم تطوير نموذج جديد يستخدم طريقة تعميم المتوسط الفعًال، وهذه الطريقة الجديدة قادرة علي حساب تأثير الأحجام النانومترية الصغيرة المختلفة لعناصر المواد المركبة في الموصلية الحرارية للمادة المركبة، وكذلك تأثير إتجاهات حبيبات عناصر المادة المركبة، وأشكالها، وكذلك تأثير هذه الحبيبات حتي إن لم تكن موزعة بإنتظام في المادة المركبة. تم التحقق من عمل هذا النموذج التحسيبي وذلك بمقارنة نتائجه مع بعض التجارب المعملية التي أجريت علي مادة مركبة نانومترية ذات عنصر أساسي من البوليمر، وكذلك علي مادة ذات عنصر أساسي من السيراميك، مصنعة بطريقة تصليب المواد من الباودر بإستخدام شرارة البلازما (SPS). تم إستخدام طرق حساب الخصائص الميكانيكية الحرارية المتجانسة في تطوير وتطبيق نموذج عناصر منتهية متعدد المستويات. طريقة المستويات المتعددة تم أستخدامها لدراسة الأداء السلوك الميكانيكي الحراري الخاص بريشة توربين تم طلائها بطلاء عازل حراري يحتوي علي عدة أحجام من المسامات في الطبقة العليا للطلاء. من نتائج هذه الدراسة أن المسامية في الطبقة العليا من الطلاء تلعب دورا مهما في خفض درجة حرارة الريشة وبالتالي إزالة بعض الإجهادات الموجودة في الريشة. وكذلك من نتائج الدراسة أن الحافة الخلفية للريشة تعتبر من المناطقة الحرجة في الريشة
English Abstract
Modeling of heterogeneous materials at multiple length scales has developed in recent years. The main issue is in identifying the relationships which bridge these various length scales. The area of multi-scale modeling is concerned with developing the relationships between the various length and time scales. The main aim of multi-scale methodologies is to predict and quantify the macroscopic behavior of a material through the modeling of its micro- or nano-structure which may be heterogeneous, anisotropic and even multi-phase. The aim of the current work is the formulation of methodologies for the property estimation and constitutive modeling of heterogeneous materials. To achieve this, computational tools for the determination of homogenized thermo-mechanical properties and constitutive behavior of heterogeneous materials have been developed and validated against experimental results. A multi-scale modeling approach has also been formulated that can utilize homogenization techniques to predict the constitutive response of materials at integration points of finite element models. For the estimation of homogenized structural properties of heterogeneous materials, two homogenization methodologies namely computational homogenization and mean-field homogenization, have been formulated, implemented and validated against experimental results for particulate composites. An improvement to the mean-field homogenization approach has been proposed to include the effect of nanometer sized inclusions, nanometer sized matrix grains as well as sintering parameters. Using the model, it was concluded that the matrix grain size reduction is the main strengthening mechanism for metal matrix nanocomposites. For thermal conductivity estimation, a new generalized effective medium theory model has been formulated that is capable of including the effects of multiple nanometer-sized inclusions, orientations of inclusions, shapes of inclusions and the effect of non-uniformly dispersed inclusions. The model has been validated against experimental results for polymer matrix nanocomposites and spark plasma sintered ceramic matrix nanocomposites. The thermo-mechanical homogenization approaches have also been used in the formulation and implementation of an efficient multiscale finite element model. The multiscale method has been used to study the thermo-mechanical performance of a turbine blade coated with thermal barrier coating as a function of varying levels of porosity in the top coat layer of the coating system. It is concluded that top coat porosity plays an important role in lowering the temperature of the turbine blade and relieving stresses in it. Additionally, the trailing edge of the blade has been identified as the critical region in the turbine blade.
| Item Type: | Thesis (PhD) |
|---|---|
| Subjects: | Mechanical |
| Department: | College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering |
| Committee Advisor: | Arif, Abual Fazal |
| Committee Members: | Yilbas, Bekir S. and Shiekh, Anwar K. and Saheb, Nouari and Rahman, M. Kalimur |
| Depositing User: | M Usama Siddiqui (g200904210) |
| Date Deposited: | 02 Feb 2017 12:44 |
| Last Modified: | 18 Jun 2020 10:15 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140262 |