معرفی شبیه‌سازی چند مقیاسی
هر روش شبیه‌سازی دارای مزایایی برای به‌‍کارگیری و علاوه بر آن محدودیت‌هایی است. برای مثال، در شکل زیر محدودیت ابعادی روشهای شبیه‌سازی نشان داده شده است.
شکل 1- محدودیت روشهای مختلف شبیه‌سازی بر اساس ابعاد ساختار
با کاهش ابعاد خطای حاصل از نتایج شبیه‌سازی کاهش میابد. اما از طرفی دیگر میتواند در محاسبه و بررسی خواص ماکروسکوپی نمونه مورد نظر، به‌خصوص نمونه هایی که در حوزه صنعت استفاده میشوند. محدودیت هایی را ایجاد کند. در مطالعه ساختار کامپوزیت، فصل مشترک میان ماتریس و فاز تقویت‌کننده. نقش مهمی در محاسبه خواص وابسته به ابعاد اتمی مثل مدول یانگ دارد. ازاین‌رو استفاده مستقیم از روشهای شبیه‌سازی المان محدود به‌منظور مدل‌سازی فصل مشترک ساختار دارای محدودیت‌های اساسی به‌خصوص برای کامپوزیتهای پایه پلیمری است. هرچند با توسعه شبیه‌سازی المان محدود با استفاده از تکنیک‌های مؤثر برای بررسی فصل مشترک میان ماتریس و فاز تقویت‌کننده مثل انواع مش بندیها، قابلیت این شبیه‌سازی بهبود پیدا کرده است. اما برای افزایش دقت مدل‌سازی و اضافه کردن خواص اتمستیک. به ساختار شبیه‌سازی المان محدود، روش شبیه‌سازی چند مقیاسی برای اولین بار در سال 2011 معرفی شد (شکل 2).
شکل 2- تاریخچه پیدایش و توسعه شبیه‌سازیهای موجود.
این رهیافت نوین برای بررسی فصل مشترک ساختار بین مواد آلی و معدنی استفاده شد (شکل3). در این روش، شبیه‌سازیهای دینامیک مولکولی و المان محدود با همدیگر برای بررسی ساختار مورد استفاده قرار میگیرند. به عبارتی دیگر، از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی برای بررسی دقیق فصل مشترک ساختار استفاده میگردد. نتایج به‌دست‌آمده به‌عنوان ورودی برای شبیه‌سازی ساختار سیستم بزرگ. در ابعاد میکرو یا ماکرو میتواند با استفاده از شبیه‌سازی المان محدود مورداستفاده قرار گیرد.
شکل 3- شبیه‌سازی چند مقیاسی کامپوزیت رزین و سیلیکا.
در سالهای اخیر استفاده از روش شبیه‌سازی چند مقیاسی برای کامپوزیتهای فیبر کربن به‌شدت افزایش پیدا کرده است. برای مثال میتوان به مطالعات الکو (Aluko) در مطالعه کامپوزیت فیبر کربن تقویت‌شده با گرافن اشاره کرد. در این مطالعه دادههای به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی ساختار رزین. و لایههای مختلف گرافن به‌عنوان داده ورودی برای شبیه‌سازی المان محدود ساختار ماکرو نمونه کامپوزیت فیبر کربن و گرافن مورد استفاده قرار گرفت. در شکل 4 نمودارهای تنش کرنش رزین و گرافن با شبیه‌سازی دینامیک مولکولی و همین‌طور نمودارهای تنش کرنش کامپوزیت فیبر کربن با حضور گرافن با روش المان محدود نشان داده شده است. از نتایج جالب این پژوهش میتوان به کاهش خواص مکانیکی کامپوزیت فیبر کربن نسبت به افزایش لایههای گرافن در ساختار اپوکسی رزین اشاره کرد.
شکل 4 – A1 , A2مدول یانگ و برشی رزین و در درصدهای مختلف گرافن. B1, B2خواص مکانیکی کامپوزیت فیبر کربن با روش المان محدود.
جمع‌بندی
در این بخش شبیه‌سازی چند مقیاسی معرفی شد. کاربردهای این شبیه‌سازی به‌خصوص در مدل کردن نمونه‌های کامپوزیت فیبر کربن مورد بررسی قرار گرفت. این روش ترکیبی از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی و المان محدود است که میتواند رابطه مناسبی میان مطالعه پژوهشی و مهندسی کامپوزیت مربوطه ایجاد کند.