پروژه مدل سازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

نوع فایل: word

قابل ویرایش 225 صفحه

چکیده:

از آنجائیکه شرکت های بزرگ در رشته نانو فناوریمشغول فعالیت هستند و رقابت بر سر عرصه محصولات جدید شدید است و در بازار رقابت، قیمت تمام شده محصول، یک عامل عمده در موفقیت آن به شمار می رود، لذا ارائه یک مدل مناسب که رفتار نانولوله های کربن را با دقت قابل قبولی نشان دهد و همچنین استفاده از آن توجیه اقتصادی داشته باشد نیز یک عامل بسیار مهم است. به طور کلی دو دیدگاه برای بررسی رفتار نانولوله های کربنی وجود دارد، دیدگاه دینامیک مولکولی ومحیط پیوسته. دینامیک مولکولی با وجود دقت بالا، هزینه های بالای محاسباتی داشته و محدود به مدل های کوچک می باشد. لذا مدل های دیگری که حجم محاسباتی کمتر و توانایی شبیه سازی سیستمهای بزرگتر را با دقت مناسب داشته باشندبیشتر توسعه یافته اند.

پیش از این بر اساس تحلیل های دینامیک مولکولی و اندرکنش های بین اتم ها، مدلهای محیط پیوسته، نظیر مدلهای خرپایی، مدلهای فنری، قاب فضایی، بمنظور مدلسازی نانولوله ها، معرفی شده اند. این مدلها، بدلیل فرضیاتی که برای ساده سازی در استفاده از آنها لحاظ شده اند، قادر نیستند رفتار شبکه کربنی در نانولوله های کربنی را بطور کامل پوشش دهند.

در این پایان نامه از ثوابت میدان نیرویی بین اتمها و انرژی کرنشی و پتانسیل های موجود برای شبیه سازی رفتار نیرو های بین اتمی استفاده شده و به بررسی و آنالیز رفتار نانولوله های کربنی از چند دیدگاهمختلف می پردازیم، و مدل های تدوین شده را به شرح زیر ارائه می نمائیم:

مدل انرژی- معادلمدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYSمدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB

مدل های تدوین شده به منظور بررسی خصوصیات مکانیکی نانولوله کربنی تک دیواره بکار گرفته شده است. در روش انرژی- معادل، انرژی پتانسیل کل مجموعه و همچنین انرژی کرنشی نانو لوله کربنی تک دیواره بکار گرفته می شود. خصوصیات صفحه ای الاستیک برای نانو لوله های کربنی تک دیواره برای هر دو حالت صندلی راحتی و زیگزاگدر جهت های محوری و محیطی بدست آمده است.

درمدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS ، به منظور انجام محاسبات عددی،نانو لوله کربنی با یک مدل ساختاری معادل جایگزین می شود.

درمدل اجزاء محدود سوم، کد عددی توسط نرم افزار MATLAB تدوین شده که از روش اجزاء محدود برای محاسبه ماتریس سختی برای یک حلقه شش ضلعی کربن، و تعمیم و روی هم گذاری آن برای محاسبه ماتریس سختی کل صفحه گرافیتی، استفاده شده است.

اثرات قطر و ضخامت دیواره بر روی رفتار مکانیکی هر دو نوع نانو لوله های کربنی تک دیواره و صفحه گرافیتی تک لایهمورد بررسی قرار گرفته است. مشاهده می شود که مدول الاستیک برای هر دو نوع نانو لوله های کربنی تک دیواره با افزایش قطر لوله بطور یکنواخت افزایش و با افزایش ضخامت نانولوله، کاهش می یابد. اما نسبت پواسون با افزایش قطر ،کاهش می یابد. همچنین منحنیتنش-کرنش برای نانولوله تک دیواره صندلی راحتی پیش بینی و تغییرات رفتار آنها مقایسه شده است. نشان داده شده که خصوصیات صفحه ای در جهت محیطی و محوری برای هر دو نوع نانو لوله کربنی و همچنین اثرات قطر و ضخامت دیواره نانو لوله کربنی بر روی آنها یکسان می باشد. نتایج به دست آمده در مدل های مختلف یکدیگر را تایید می کنند، و نشان می دهند که هر چه قطر نانو لولهافزایش یابد، خواص مکانیکی نانولوله های کربنی به سمت خواص ورقه گرافیتی میل می کند.

نتایج این تحقیق تطابق خوبی را با نتایج گزارش شده نشان می دهد.

واژه های کلیدی: نانولوله های کربنی ، خواص مکانیکی، محیط پیوسته ، تعادل- انرژی ، اجزاء محدود ، ورق گرافیتی تک لایه،ماتریس سختی.

مقدمه:

نانو فناوری عبارت ازآفرینش مواد، قطعات و سیستم های مفید با کنترل آنها در مقیاس طولی نانو متر و بهره برداری از خصوصیات و پدیده های جدید حاصله در آن مقیاس می باشد. به عبارت دیگر فناوری نانو، ایجاد چیدمانی دلخواه از اتم ها و مولکول ها و تولید مواد جدید با خواص مطلوب است. فناوری نانو، نقطه تلاقی اصول مهندسی، فیزیک، زیست شناسی، پزشکی و شیمی است و به عنوان ابزاری برای کاربرد این علوم و غنی سازی آنها در جهت ساخت عناصر کاملاً جدید عمل می کند.

 ازلحاظ ابعادی، یک نانو متر اندازه ای برابر 9-10 متر است (شکل 1-1) . این اندازه تقریباً چهار برابر قطر یک اتم منفرد می باشد. خصوصیات موجی (مکانیک کوانتومی) الکترونها در درون مواد و اندرکنشهای اتمی، بوسیله ی تغییرات مواد در مقیاس نانو متری، تحت تأثیر قرار می گیرند. با ایجاد ساختارهای نانو متری، کنترل خصوصیات اساسی مواد مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی و حتی رنگ آنها، بدون تغییر ترکیب شیمیایی ممکن خواهد بود. به کارگیری این پتانسیل، باعث ایجاد محصولات و فناوری های جدید با کارایی بسیار بالا خواهد شد که قبلاً ممکن نبوده است. سازمان دهی سیستماتیک ماده در مقیاس طولی نانو متر، مشخصه کلیدی سیستم های زیستی است.

ساختارهای نانو، نظیر ذرات نانو و نانو لوله ها، دارای نسبت سطح به حجم خیلی بالایی اند، بنابراین اجزای ایده آلی برای استفاده در کامپوزیت ها، واکنش های شیمیایی و ذخیره از انرژی هستند.ازآنجا که نانوساختارها خیلی کوچک اند، می توانند در ساخت سیستم هایی بکار برده شوند که چگالی المان خیلی بیشتری نسبت به انواع مقیاس های دیگر دارند. بنابراین قطعات الکترونیکی کوچک تر، ادوات سریع تر، عملکردهای پیچیده ترو مصرف بسیار کمتر انرژی را می توان با کنترل واکنش و پیچیدگی نانو ساختار، بطور همزمان بدست آورد.

در حال حاضر، نانو فناوری یک تکنولوژی توانمند است، اما این پتانسیل را دارد که تبدیل به یک تکنولوژی جایگزین شود. فناوری نانو نه یک فناوری جدید، بلکه نگرشی تازه به کلیه ی فناوری های موجود است و لذا روش های مبتنی بر آن، در اصل همان فناوری های قبلی هستند که در مقیاس نانو انجام می شوند.

مراکز علمی و دانشگاهی با آگاهیازتوانایی های وقابلیت های نانو فناوری به تحقیق و پژوهش در این زمینه می پردارند. تفاوت هایی که در سال های اخیر در زمینه ی نانو بوجود آمده است، حاکیازافزایش رغبت به این حوزه می باشد. در گذشته، تحقیقات بر اساس علایق و تخصص های محقق پیش می رفت، اما اکنون اغلب کشورها دارای برنامه های مدون و راهبردی مشخص در این زمینه هستند و مراکز علمی و تحقیقاتی خود را مامور پیش برد این برنامه ها کرده اند.

فهرست مطالب:

فهرست علائم

فهرست جداول      

فهرست اشکال

چکیده

فصل اول

مقدمه نانو           

مقدمه    

فناوری نانو         

معرفی نانولوله‌های کربنی    

ساختار نانو لوله‌های کربنی   

کشف نانولوله       

تاریخچه 

فصل دوم

خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی         

2-1 مقدمه          

2-2 انواع نانولوله‌های کربنی

2-2-1 نانولوله‌ی کربنی تک دیواره (SWCNT)   

2-2-2 نانولوله‌ی کربنی چند دیواره (MWNT)  

2-3 مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی    

2-3-1 ساختار یک نانو لوله تک دیواره

2-3-2 طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره        

2-4 خواص نانو لوله های کربنی       

2-4-1 خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن        

2-4-1-1 مدول الاستیسیته   

2-4-1-2 تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک

2-4-1-3 تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها          

2-5 کاربردهای نانو فناوری 

2-5-1 کاربردهای نانولوله‌های کربنی 

2-5-1-1 کاربرد در ساختار مواد       

2-5-1-2 کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی      

2-5-1-3 کاربردهای شیمیایی           

2-5-1-4 کاربردهای مکانیکی           

فصل سوم           

روش های سنتز نانو لوله های کربنی

3-1 فرایندهای تولید نانولوله های کربنی          

3-1-1 تخلیه از قوس الکتریکی         

3-1-2 تبخیر/ سایش لیزری 

3-1-3 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD)

3-1-4 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD )        

3-1-5 رشد فازبخار           

3-1-6 الکترولیز  

3-1-7 سنتز شعله 

3-1-8 خالص سازی نانولوله های کربنی          

-2 تجهیزات        

3-2-1 میکروسکوپ های الکترونی     

3-2-2 میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)   

3-2-3 میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی (SEM)   

3-2-4 میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM)          

3-2-4-1 میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM)

3-2-4-2 میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (STM)   

فصل چهارم

شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته      

4-1 مقدمه          

4-2 مواد در مقیاس نانو      

4-2-1 مواد محاسباتی        

4-2-2 مواد نانوساختار       

4-3 مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو      

4-3-1 چارچوب های تئوری در تحلیل مواد      

4-3-1-1 چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد 

4-4 روش های شبیه سازی  

4-4-1 روش دینامیک مولکولی         

4-4-2 روش مونت کارلو    

4-4-3 روش محیط پیوسته   

4-4-4 مکانیک میکرو       

4-4-5 روش المان محدود (FEM)      

4-4-6 محیط پیوسته مؤثر   

4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی    

4-5-1 مدلهای مولکولی      

4-5-1-1 مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی)      

4-5-1-2 روش اب انیشو    

4-5-1-3 روش تایت باندینگ           

4-5-1-4 محدودیت های مدل های مولکولی      

4-5-2 مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها

4-5-2-1 مدل یاکوبسون     

4-5-2-2 مدل کوشی بورن  

4-5-2-3 مدل خرپایی        

4-5-2-4 مدلقاب فضایی     

4-6 محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته 

4-6-1 کاربرد مدل پوسته پیوسته       

4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل  

4-6-3 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله

4-6-4 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله

4-6-5 محدودیتهای مدل پوسته پیوسته  99

4-6-5-1 محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته    

4-6-5-2 محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته    

4-6-6 کاربرد مدل تیر پیوسته          

فصل پنجم           

مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی

5-4-3-6 ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای         

5-4-3-7 ماتریس سختی برای یک حلقه کربن   

5-1 مقدمه          

5-2 نیرو در دینامیک مولکولی         

5-2-1 نیروهای بین اتمی    

5-2-1-1 پتانسیلهای جفتی   

5-2-1-2 پتانسیلهای چندتایی

5-2-2 میدانهای خارجی نیرو

5-3 بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته       

5-4 ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی 

5-4-1 مدل انرژی- معادل   

5-4-1-1 خصوصیاتمحوری نانولوله های کربنی تک دیواره          

5-4-1-2 خصوصیاتمحیطی نانولوله های کربنی تک دیواره           

5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS         

5-4-2-1 تکنیک عددی بر اساس المان محدود   

5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB

5-4-3-1 مقدمه    

5-4-3-2 ماتریس الاستیسیته

5-4-3-3 آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی

5-4-3-4 تعیین و نگاشت المان         

5-4-3-5 ماتریس کرنش-جابجائی      

5-4-3-8 ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه 

5-4-3-9 مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه

فصل ششم

نتایج

6-1 نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل

6-1-1 خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره     

6-1-2 خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره     

6-2 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS     

6-2-1 نحوه مش بندی المان محدود نانولوله های کربنی تک دیواره در نرم افزار ANSYS و ایجاد ساختار قاب فضایی و مدل سیمی به کمک نرم افزار ]54MATLAB [

6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره    

6-3 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB 

فصل هفتم           

نتیجه گیری و پیشنهادات

7-1 نتیجه گیری   

7-2 پیشنهادات     

فهرست جداول:

جدول 4-1: اتفاقات مهم در توسعه مواد در 350 سال گذشته

جدول 5-1: خصوصیات هندسی و الاستیک المان تیر

جدول5-2 : پارامترهای اندرکنش واندر والس

جدول6-1: اطلاعات مربوط به مش بندی المان محدود مدل قاب فضایی در نرم افزار ANSYS .

جدول6-2 : مشخصات هندسی نانولوله های کربنی تک دیواره در هر سه مدل

جدول6-3 : داده ها برای مدول یانگ در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS

جدول6-4 : داده ها برای مدول برشی در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS

جدول6-5 : مقایسه نتایج مدول یانگ برای مقادیر مختلف ضخامت گزارش شده

جدول 6-6 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش صندلی راحتی

جدول 6-7 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش زیگزاگ

جدول 6-8 : مقایسه مقادیر E، G و به دست آمده از مدل های تدوین شده در این تحقیق با نتایج موجود در منابع

فهرست اشکال:

شکل 1-1 : میکروگراف TEMکه لایه های نانو لوله کربنی چند دیواره را نشان می دهد

شکل 1-2 : اشکال متفاوت مواد با پایه کربن

شکل 1-3 : تصویر گرفته شده TEM که فلورن هایی کپسول شده به صورت نانولوله های کربنی تک دیواره را نشان می دهد شکل 1-4 : تصویر TEMازنانولوله کربنی دو دیواره که فاصله دو دیواره در عکس TEMnm 36/0 می باشد

شکل 1-5 : تصویر TEM گرفته شدهازنانوپیپاد

شکل 2-1 : تصویر نانو لوله های تک دیواره و چند دیواره کشف شده توسط ایجیما در سال 1991

شکل 2-2 : انواع نانولوله:(الف) ورق گرافیتی (ب) نانولوله زیگزاگ (0، 12)(ج) نانولوله زیگزاگ (6، 6) (د) نانولوله کایرال (2، 10)

شکل 2-3 : شبکه شش گوشه ای اتم های کربن

شکل2-4 : تصویر شماتیک شبکه شش گوشه ای ورق گرافیتی، شامل تعریف پارامترهای ساختاری پایه و توصیف اشکال نانولوله های کربنی تک دیواره

شکل 2-5 : شکل شماتیک یک نانولوله کربنی چند دیواره MWCNTs

شکل 2-6 : نانو پیپاد

شکل 2-7 : شکل شماتیک یک نانو لوله کهازحلقه ها شش ضلعی کربنی تشکیل شده است

شکل2-8 : تصویر شماتیک یک حلقه شش ضلعی کربنی و پیوندهای مربوطه

شکل 2-9 : تصویر شماتیک شبکه کربن در سلول های شش ضلعی

شکل 2-10: توضیح بردار لوله کردن نانو لوله، بصورت ترکیب خطیازبردارهای پایه b , a

شکل2-11: نمونه های نانولوله های صندلی راحتی، زیگزاگ و کایرال و انتها بسته آنها که مرتبط است با تنوع فلورن ها

شکل 2-12: تصویر سطح مقطع یک نانو لوله

شکل 2-13: مراحلآزاد سازی نانو لوله کربن

شکل 2-14 : مراحل کمانش و تبدیل پیوندها در یک نانو لوله تحت بار فشاری شکل 2-15: نحوه ایجاد و رشد نقایص تحت بار کششیالف: جریان پلاستیک، ب: شکست ترد (در اثر ایجاد نقایص پنج و هفت ضلعی) ج: گردنی شدن نانو لوله در اثر اعمال بار کششی

شکل 2-16: تصویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشی SEM اعمال بار کششی بر یک نانو لوله

شکل 2-17: شکل شماتیک یک نانولوله کربنی به عنوان نوک AFM.

شکل2-18 : نانودنده ها

شکل 3- 1: آزمایش تخلیه قوس

شکل 3-2 : دستگاه تبخیر/سایش لیزری

شکل 3-3 : شماتیک ابزار CVD

شکل 3-4 : میکروگرافی که صاف و مستقیم بودن MWCNTsرا که به روش PECVD رشد یافتهنشان می دهد شکل 3-5 : میکروگراف که کنترل بر روی نانو لوله ها را نشان می دهد: (الف) 40–50 nmو (ب). 200–300 nm

شکل 3-6 : نانولوله کربنی MWCNT به عنوان تیرک AFM

شکل 4-1 : تصویر شماتیک ارتباط بین زمان و مقیاس طول روشهای شبیه سازی چند مقیاسی

شکل 4-2 : مدل سازی موقعیت ذرات در محیط پیوسته

شکل 4-3 : محدوده طول و مقیاس زمان مربوط به روشهای شبیه سازی متداول

شکل 4-4 : تصویر تلاقی ابزار اندازه گیری و روش های شبیه سازی

شکل 4-5 : تصویر شماتیک وابستگی درونی روش ها و اصل اعتبار روش

شکل 4-6 : تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه

شکل 4-7 : موقعیت نسبی اتمها در شبکه کربنی برای بدست آوردن طول پیوندها در نانولوله

شکل 4- 8 : المان حجم معرف در نانو لوله کربنی

شکل 4- 9 : مدلسازی محیط پیوسته معادل

شکل 4- 10 : المان حجم معرف برای مدلهای شیمیایی، خرپایی و محیط پیوسته

شکل4-11 : تصویر شماتیک تغییر شکل المان حجم معرف

شکل4-12 : شبیه سازی نانو لوله بصورت یک قاب فضایی

شکل4- 13 : اندرکنشهای بین اتمی در مکانیک مولکولی

شکل4-14: شکل شماتیک یک صفحه شبکه ای کربن شامل اتم های کربن در چیدمان های شش گوشه ای.

شکل 4-15: شکل شماتیک گروهای مختلف نانولوله کربنی

شکل 4-16: وابستگی کرنش بحرانی نانولوله به شعاع با ضخامت های تخمینی متفاوت

شکل 5-1: نمایش نیرو وپتانسیل لنارد-جونز برحسب فاصله بین اتمی r

شکل 5-2 : نمایش نیرو وپتانسیل مورس برحسب فاصله بین اتمی r

شکل 5-3 : تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه

شکل5-4 : فعل و انفعالات بین اتمی در مکانیک مولکولی

شکل5-5 : شکل شماتیک (الف) یک نانولوله صندلی راحتی (ب) یک نانولوله زیگزاگ

شکل5-6 : شکل شماتیک یک نانولوله صندلی راحتی (الف) واحد شش گوشه ای (ب) نیرو های توزیع شده روی پیوند b

شکل5-7 : شکل شماتیک یک نانولوله زیگزاگ (الف) واحد شش گوشه ای (ب) نیرو های توزیع شده روی پیوند b شکل5– 8 :تصویر شماتیک توزیع نیروها برای یک نانولوله کربنی تک دیواره

شکل 5-9 : تصویر شماتیک توزیع نیرو در یک نانولوله کربنی زیگزاگ

شکل5- 10: تصویر شماتیک (الف) نانولوله کربنی Armchair، (ب) مدل تحلیلی برای تراکم در جهت محیطی (ج) روابط هندسی

شکل 5-11: تصویر شماتیک (الف) نانولوله کربنیZigzag(ب)مدل تحلیلی برای فشار در جهت محیطی...129

شکل 5-12: تعادل مکانیک مولکولی و مکانیک ساختاری برای تعاملات کووالانس و غیر کووالانس بین اتم های کربن (الف) مدل مکانیک مولکولی (ب) مدل مکانیک ساختاری

شکل 5-13: منحنی پتانسیل لنارد-جونز و نیروی واندروالس نسبت به فاصله اتمی

شکل5-14 : رابطه نیرو (بین پیوند کربن-کربن) و کرنش بر اساس پتانسیل بهبود یافته مورس

شکل 5-15 :استفاده از المان میله خرپاییبرای شبیه سازی نیروهای واندروالس

شکل5-16 : منحنی نیرو-جابجائی غیر خطی میله خرپایی

شکل 5-17: تغییرات سختی فنر نسبت به جابجائی بین اتمی

شکل 5-18: مدل های المان محدود ایجاد شده برای اشکال مختلف نانولوله (الف) :صندلی راحتی (7،7) (ب):زیگزاگ(7،0) (ج): نانولوله دودیواره (5،5) و (10،10)

شکل5-19 : المان های نماینده برای مدل های شیمیایی ، خرپایی و محیط پیوسته

شکل 5-20 : شبیه سازینانولوله های کربنی تک دیواره به عنوان ساختار قاب فضایی

شکل5-21 : شرایط مرزی و بارگذاری بر روی مدل المان محدود نانو لوله کربنی تک دیواره: (الف) زیگزاگ (7،0) ، (ب) صندلی راحتی (7،7) ، (ج) زیگزاگ (0،10) ، (د) صندلی راحتی (7،7)

شکل5-22 : شرایط مرزی و بارگذاری بر روی مدل المان محدود نانو لوله کربنی چند دیواره: (الف) مجموعه 4 دیواره نانولوله زیگزاگ (5،0) (14،0) (23،0) (32،0) تحت کشش خالص ، (ب) مجموعه 4 دیواره نانولوله صندلی راحتی (5،5) (10،10) (15،15) (20،20) تحت پیچش خالص

شکل5-23 : نانولوله تحت کشش

شکل5-24 : یک نانولوله کربنی تک دیواره شبیه سازی شده به عنوان ساختار قاب فضایی

شکل5-25 : شکل شماتیک اتمهای کربن و پیوند های کربن متصل کننده آنها در ورق گرافیت

شکل 5-26 : نمودار Eωa بر حسب فاصله بین اتمی ρa

شکل 5-27 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن و اتم های کربن و پیوندهای کواالانس و واندروالس

شکل5-28 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن که تنها پیوندهای کووالانس را نشان می دهد

شکل5-29 : سه حالت بارگذاری برای معادل سازی انرژی کرنشی مدل ها

شکل5-30 : شکل شماتیک از شش گوشه ای کربن و نیرو های غیر پیوندی

شکل5-31 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن با در نظر گرفتن 9 پیوند واندروالس بین اتم های کربن

شکل5-32: یک مدل جزئی از ساختار شبکه ای رول نشده که نانولوله کربنی را شکل می دهد. شش ضلعی های متساوی الاضلاع نماینده حلقه های شش ضلعی پیوند های کووالانس کربن می باشد، که هر رأس آن محل قرار گیری اتم کربن می باشد

شکل5-33 : شکل یک حلقه کربن به صورت یک شش ضلعی متساوی الاضلاع و هر اتم کربن به عنوان گره با نامگذاری قراردادی

پروژه مهندسی میکانیک با عنوان ماشین. doc

نوع فایل: word

قابل ویرایش 110 صفحه

مقدمه:

امروزه صنعت ابزارسازی به عنوان الفبای ساخت و تولید از مهمترین پارامترهای ماشینکاری است که توانایی ماشینکاری هر قطعه ساز و کار خانه ای به‌ آن وابسته است.

 نحوة تولید ابزارهای برنده و شناخت روش های ساخت، کاربرد و توانایی هر یک از آنها به ما کمک می کند تا فرایند ماشینکاری را به طور کنترل شده ای از نظر کیفیت و هزینه در اختیار خود بگیریم. لذا برآن شدیم تا موضوع مواد ابزارهای برنده را به عنوان پروژه درس توانایی ماشینکار انتخاب و منبع کاملی از اطلاعات مربوط به نحوة ساخت و تولید ابزارهای برنده را تهیه و مطالب کلیدی و مفید آن را از دایره المعارف ساخت و تولید ترجمه و تفسیر کنم تا توانسته باشم خدمت کوچکی هر چند ناچیز ب. جامعه ساخت و تولید داشته باشم.

در تهیه این پروژه سعی شده ارزش واقعی اصطلاحات فنی حفظ و به صورتی قابل درک برای عموم دستنرکاران علم ساخت و تولید قابل استفاده باشد.

متن حاضر حاصل تلاش بیش از چهار ماه اینجانب در ترجمه و تفسیر مواد ابزارهای برنده است که قسمت اعظم آن مربوط به کتاب SME می باشد که امیدوارم مورد توجه اساتید گرانقدر صنعت ساخت و تولید بویژه جناب آقای دکتر رضایی قرار بگیرد.

در پایان از جناب آقای دکتر رضایی به خاطر راهنمایی ایشان در تهیه این مطلب تشکر می نمایم و امیدوارم تا پیوسته از راهنمایی های ایشان در دیگر پروژه های تحصیلی و کاری بهره مند باشم.

فهرست مطالب:

مقدمه

مواد ابزارهای برنده

انتخاب ماده

خواص مطلوب:

نقش براده برداری در تولید حرارت بالا در ابزار

فولادهای تندبر

متدها یا روش های تولید برای Hss ها

دسته بندی Hss ها

مزایای فولادهای ابزار تندبر (Hss)

عملیات حرارتی فولادهای ابزار تند بر (HSS)

عملیات حرارتی زیر صفر Sub3ero

دی کریریزاسیون

دیگر مشکلات عملیات گرمایی

عملیات سطح کاری

عملیات صاف کاری سطح

عملیات روغن کاری سطح

عملیات سخت کاری روی سطح

آبکاری (دودکش کاری) coating

کاربرد ابزارهای HSS

ابزارهای هندسی و پارامترهای عملیاتی

عملیات ها

نتایج پر منفعت استفاده از این مواد

ابزارها و مواد در دسترس

کاربردها

مزایا و منافع

کاربردها

هندسه ابزار

پارامترهای عملیاتی

تیزکردن ابزار

کاربیدهای تنگستن سمانتی

تولید کاربید تنگستن

فشردن

کلوخه کردن

مزایای کاربیدهای سمانتی

کاربیدهای تنگستنی تخت

کاربیدهای تنگستن آلیاژی شده

درجه های آلیاژی شده Tic

درجه های آلیاژی شده Tac

کاربیدهای ریزدانه

از قبیل کاربردهای زیر

طبقه بندی درجه ها

انتخاب و کاربرد ابزارهای کاربیدی

انواع ابزارهای موجود

فاکتورهای انتخاب

هندسه های ابزار

پارامترهای عملیاتی برای استفاده کردن از ابزارهای کاربیدی

تیز کردن ابزارهای کاربیدی

کاربیدهای تیتانیوم

کاربردها

هندسه ابزارها

پارامترهای عملیاتی

کاربیدهای روکش شده

مزایا

محدودیتها

روکش کاری و احتیاجات مواد آن

انواع روکش ها

پارامترهای عملکرد

سرامیکها

انواع ابزارهای سرامیکی

پروژه انتخاب یک سیستم خنک سازی توربین گازی

نوع فایل: word

قابل ویرایش 225 صفحه

مقدمه:

این فصل عمدتاً روی موضوعات انتقال جرم و حرارت تمرکز می یابد چون آنها برای خنک سازی اجزا ی دستگاه توربین بکار می روند و انتظار می رود که خواننده با اصول مربوطه در این رشته ها آشنایی داشته باشد. تعدادی از کتابهای فوق العاده (1-7) در بررسی این اصول توصیه می شوند که شامل Streeter، دینامیک ها یا متغیرهای سیال Eckert و Drake، تجزیه و تحلیل انتقال جرم و حرارت، Incropera و Dewitt، اصول انتقال حرارت و جرم, Rohsenow و Hartnett، کتاب دستی انتقال حرارت, Kays، انتقال جرم و حرارت همرفتی, Schliching، تئوری لایه مرزی، و Shapiro، دینامیک ها و ترمودینامیک های جریان سیال تراکم پذیر.

وقتی یک منبع جامع اطلاعات موجود باشد. مولف این فصل خواننده را به چنین منبعی ارجاع میدهد. با این وجود وقتی داده ها در صفحات یا مقالات گوناگون پخش شده باشند, مولف سعی می کند که این داده ها را در این فصل بطور خلاصه بیان نماید.

فهرست مطالب:

مقدمه

خنک سازی توربین بعنوان یک تکنولوژی کلیدی برای بهینه سازیموتورهای توربین گازی

چالش های خنک سازی برای دماهای پیوسته درحال افزایش گاز ونسبت فشارکمپرسور

تکنیک های خنک سازی استفاده شده متداول

تاثیر خنک سازی

مشکلات خنک سازی

ترکیب پوشش های حصار حرارتی و خنک سازی

فرایند بهبود خنک سازی ایرفویل

تعریف پارامترهای شباهت انتقال جرم و حرارت اصلی

کنش متقابل انتقال جرم – حرارت در لایه مرزی ایرفویل

نقش تشابه در رقابت تجربی حرارت ایرفویل توربین و انتقال جرم

موضوعات انتقال حرارت گذرا و پایدار در بخش داغ موتور

دمای فلز و تاثیر آن روی عمر اجزای توربین

موضوعات مربوط به تغییرمکان های دمایی گذرای روتوربه استاتوروکنترل فاصله نوک آزاد

خنک سازی نازل توربین

تقابل با محفظه احتراق

انتقال حرارت پره

خمیدگی

تاثیرات ناهمواری

اغتشاش

خنک سازی فیلم پره

نسبت دمش

انحنای سطح

گرادیان فشار

آشفتگی جریان اصلی

شیارهای خنک سازی فیلم

تجمع فیلم

تاثیر تزریق هوای خنک سازی فیلم روی انتقال حرارت سطح

موضوعات خنک سازی دیواره نهایی

خنک سازی تیغه توربین

تاثیرات سه بعدی ودورانی روی انتقال حرارت تیغه

نیروهای دورانی

تاثیرات سه بعدی

پروفایل دمای گاز شعاعی

تاثیرات ناپیوستگی

تکنیک های خنک سازی درونی تیغه

گذرگاههای درونی هموار

تیرک ها/فین ها (نوارهای زاویه دار یا طولی

پین فین ها

تاثیر جت

جریان گردابی

خنک سازی فیلم

موضوعات خنک سازی سکو و راس

خنک سازی ساختارهای روتور و استاتور

منبع خنک سازی و سیستم های هوای ثانویه

بافر کردن مجموعه دیسک و روشهای خنک سازی دیسک

خنک سازی ساختارحفاظتی نازل و جایگاه توربین

خنک سازیمحفظه احتراق

تاثیر تحول طراحیمحفظه احتراق روی تکنیک های خنک سازی

خنک سازی تعریق

خنک سازی نشتی

همرفتی بخش پشتی افزوده

پوشش دهی حصار حرارتی

انتقال حرارت تجربی پیشرفته و معتبر سازی خنک سازی

ارزیابی انتقال حرارت بیرونی و تکنیک های معتبر سازی خنک سازی

رنگ حساس به فشار

ارزیابی غیر مستقیم آشفتگی

ارزیابی های انتقال حرارت و جریان داخلی

شبیه سازی انتقال حرارت مزدوج و معتبر سازی در یک آبشار داغ

معتبر سازی تاثیر خنک سازی تیغه در آبشار داغ

شرایط مرزی تجربی دیسک توربین

تائید خنک سازی در یک آزمون موتور

ابزار بندی متعارف

پیرومتر درج شده درگاه بروسکوب

رنگ های حرارتی دما بالا

بررسی های چند نظامی در انتخاب سیستم خنک سازی توربین

منابع و مأخذ:

STREETER,FLUID DYNAMICS,MCGRAW-HILL,NEW YORK(1971)E.R.C.ECKERT AND R.M.DRAKE,ANALYSIS OF HEAT AND MASS TRANSFER, MCGRAW-HILL,NEW YORK(1972)F.P.INCROPERA AND D.P.DEWITT,FUNDAMENTALS OF HEAT AND MASS TRANSFER,2ND ED.,J.WILEY & SONS,NEW YORK(1985)W.M.ROHSENOW AND J.P.HARTNETT,HAND BOOK OF HEAT TRANSFER,MCGRAW-HILL,NEW YORK(1973)W.M.KAYS,CONVECTIVE HEAT AND MASS TRANSFER,5TH ED., MCGRAW-HILL,NEW YORK(1966)H.SCHLICHTING,BOUNDARY LAYER THEORY,7TH ED., MCGRAW-HILL,NEW YORK(1979)A.H.SHAPIRO,THE DYNAMICS AND THERMODYNAMICS OF COMPRESSIBLE FLUID FLOW,RONALD PRESS,NEW YORK(1954)B.BARRY,TURBINE BLADE COOLING: AERODYNAMIC PENALTIES WITH TURBINE BLADE COOLING,VON KARMAN INSTITUTE FOR FLUID DYNAMICS(VKI),LECTURE SERIES 83(1976)G.M.DAILY,AERO-THERMAL PERFORMANCE OF INTERNAL COOLING SYSTEMS IN TURBOMACHINES: DESIGN AND CALCULATION ISSUES,VKI LECTURE SERIES 2000-03,PP.1-70(2000)J.E.HARTSEL,”PREDICTION OF EFFECTS OF COOLING MASS TRANSFER ON THE BLADE-ROW EFFICIENCY OF TURBINE AIRFOILS,”AIAA PAGER 72-11,JAN(1972)C.MCLEAN,C.CAMCI AND B.GLEZER,”MAINSTREAM AERODYNAMIC EFFECTS DUE TO WHEELSPACE COOLANT INJECTION IN A HIGH-PRESSURE TURBINE STAGE: PART II-AERODYNAMIC MEASURNENTS IN THE ROTIONAL FRAM,”ASME PAPER 2001-GT-120.R.W.AINSWORTG,D.L.SCHULTZ,M.R.D.DAVIES,C,J,P,FORTH,M.A.HILDITCH,M.L.G.OLDFIELD AND A.G.SHEARD,”A TRANSIINT FLOW FACILITY FOR REPRESENTATIVE CONDITIONS,”ASME 88-GT-144(1988)A.H.EPSTEIN,G.R.GUENETTE AND R.NORTON,”THE MIT BLOWDOWN TURBINE FACILITY,”ASME 84-GT-116(1984)R.S.ABHARI,G.R.GUENETTE,A.H.EPSTEIN AND M.B.GILES,”COMPARISON OF TIME RESOLVED TURBINE ROTOR BLADE HEAT TRANSFER MEASURMENTS AND NUMERICAL CALCULATIONS” ASME PAPER NO. 91-GT-268(1991)C.W.HALDEMAN,M.G.DUNN,C.D.MACARTHUR AND C.G.MURAWASKI,”THE USAF ADVANCED TURBINE AEROTHERMAL RESEARCH RIG(ATARR),”AGARD CONFERENCE PROCEEDINGS 527,80,SYMPOSIUM OF THE PROPULSION AND ENERGETICS PANEL,ANTALYA,TURLEY(1992)M.G.DUNN,”PHASE AND TIME RESOLVED MEASURMENTS OF UNSTEADY HEAT TRANSFER AND PRESSURE IN A FULL STAGE ROTATING TURBINE,”J.TURBOMACHINERY,112: 531-538(1990)S.E.RICH AND W.A.FASHING,”CF6 JET ENGINE PERFORMANCE IMPROVE-MENT-HIGH PRESSURE TURBINE ACTIVE CLEARSNCE CONTROL,”NASA REPORT CR-165556(1982)R.S.BEITLER AND G.W.BENNETT,”ENERGY EFFICIENT ENGINE-CONTROL SYSTEM COMPONENT PERFORMANCE REPORT,”NASA REPORT CR-174651,PP.31-43(1984)B.GLEZER,”TURBINE BLADE TIP CLEARANCE IMPROVEMENT,”ASME PAPER 91-GT-164(1991)B.GLEZERT AND H.BAGHERI,TURBINE BLADE CLEARANCE CONTROL SYSTEM,U.S.PATENT NO.5779436(1998)A.P.SAXER AND H.M.FELICI,”NUMERICAL ANALYSIS OF THREE-DIMENTIONAL UNSTEADY HOT STREAK MIGRATION AND SHOCK INTERACTION IN A TURBINE STAGE,”ASME J.TURBOMACHINERY,118:268-277(1996)D.J.DORNEY AND D.L.SONDAK,”STUDY OF HOT STREAK PHENOMENA IN SUBSONIC AND TRANSONIC FLOWS,”ASME PAPER NO.96-GT-98(1996)

پروژه شیر ترمز اتوماتیک لکومتیو

نوع فایل: word

قابل ویرایش 148 صفحه

چکیده:

در این پروژه نخست اجزا و عملکرد شیر ترمز اتوماتیک لکوموتیو مورد اشاره قرار می گیرد . سپس به معرفی روش جز به جز در شبیه سازی سیستم های نیوماتیکی می پردازد. در این روش ابتدا المانهای اصلی به کمک نرم افزار Matlab ساخته شده ، سپس با اتصال آنها به یکدیگر ، کل مجموعه، شبیه سازی می گردد.

علاوه بر این کاربرد ، این روش در شبیه سازی دینامیکی شیر ترمز اتوماتیک ( شش دنده) ، به عنوان فرمان دهنده سیستم ترمز قطار، مورد بررسی قرار می گیرد

مقدمه:

این گزارش به تشریح عملکرد سوپاپ ترمز اتوماتیک به منظور شبیه سازی و تحلیل رفتار دینامیکی شیر می پردازد . هدف اصلی از تحلیل ، تعیین فشار دبی خروجی از شیر پر بر حسب زمان در وضعیتهای تلف کاری آن می باشد . بدین منظور لازم است تا ابتدا تشریح دقیقی از عملکرد و وضعیت سیستم ارائه گردد ، تا بر پایه آن بتوان مقادیر ورودی و خروجی را به هم مرتبط نمود . لذا لازم است تا ابعاد و اندازه های شیر اعم از اندازه مقاطع و حجم ها ، و نیز سایر مشخصات شیر ، نظیر ثابت فنرهای تعیین گردد .

بر اساس آنچه ذکر شد در این گزارش ابتدا به بررسی مدار کلی شیر ترمز اتوماتیک و جایگاه این شیر در ارتباط با سایر اجزا ترمز می پردازیم .سپس مسیر و جریان هوا در ادامه شرحی بر عملکرد اجزا تشکیل دهنده ترمز اتوماتیک ارائه می گردد . در پایان ابعاد و اندازه های شیر ارائه می گردد .

علاوه بر این ، ترجمه متن اصلی یر ترمز اتوماتیک ارائه شده از طرف کارخانه سازنده (شرکت وابکو) ، ضمیمه گردیده است .

فهرست مطالب:

مقدمه

1مروری بر نحوه عملکرد سیستم ترمز اتوماتیک

2تحلیل حالتهای مختلف سوپاپ ترمز اتوماتیک

2-1 حالت هواگیری( Release)

2-2بررسی حالت ترمز در شش دنده (Service)

2-3 حالت کاهش بیشتر فشار لوله اصلی (Over Reduction)

2-5حالت خنثی (Handle- Off)

2-6 حالت ترمز اضطراری (Emergenc

3 اجزا تشکیل دهنده شیر ترمز اتوماتیک

3-1شیر رله

3-1-1 شر رله در حالت هواگیری

3-1- 2 شیر رله در حالت تعدل

3-1-3 شیر رله در حالت سرویس

3-2شیر رگلاتور

3-2-1 شیر رگلاتور در وضعیت هواگیری

3-2-2شیر رگلاتور در وضعیت سرویس

3-3شیر قطع و وصل لوله اصلی در حالت باز

3-3-2 شیر قطع و وصل در حالت بسته

3-4شیر تخلیه سریع

3-4-1 شیر تخلیه سریع در حالت بسته

3-3-2شیر تخلیه سریع در حالت باز

3-4-3شیر اضطراری

3-5-1شیر اضطراری در حالت عدم تحریک

3-4-3 شیر اضطراری در حالت تحریک

3-5 شیر لغو ترمز جریمه(Suppression)

3-6-1حالت تحریک

3-4-2حالت عدم تحریک

3-4-2 عملکرد در وضعیت سرویس

3-5شیر خروسکی

3-7-1 شیر خروسکی در حالت مسافری

3-5-2 شیر خروسکی در حالت باری

3-5-3 شیر خروسکی در حالت قطع

4اندازه گیری

4-1 حالتهای مختلف سوپاپ شش دنده و اندازه های مورد لزوم آنها

4-1-1حالت هواگیری

4-1-2 حالت ترمز تدریجی در شش دنده

4-1-3اندازه گیری مورد لزوم در حالت ترمز تدریجی در شش دنده

4-1-4حالت آزاد سازی ترمز

4-1-5 حالت لغو ترمز جریمه

4-1-6 حالت کاهش بیشتر یا Over reduction

4-1-7 خنثی

4-1-8 حالت ترمز امرژنسی

4-2حالت هواگیری شش دنده

4-2-2 حالت سرویس

4-2-3 حالت لغو ترمز جریمه

4-2-4 حالت اضطراری

4ضمیمه 1 ( ترجمه متن شرکت سازنده)

5اصول شبیه سازی

6-1 نیازها واهداف شبیه سازی

6-2بررسی روشهای ممکن جهت انجام پروژه

6-2-1 مزایا و معایب

6-3 تشریح اصول و مبانی روش استفاده شده

6-3-1 مقاومت

6-3-1-1 معادلات سیالاتی حاکم بر مقاومت

6-3-1-2 اثبات فرمول

6-3-1-3 حل معادله در برنامه سیمولینک

6-3-1-4 حل معادلات مربوط به مقاومت

6-3-2مخزن

4-3 حل یک مثال ساده

6-4-1 فرضیات و تفسیر نتایج

5شبیه سازی شیر ترمز اتوماتیک

7-1 شیر رله

7-1-1 محاسبات نیرو

7-1-2 محاسبات نیوماتیکی

7-2 شیر رگلاتور

7-2-1 محاسبات نیرو

7-2-2 محاسبات نیوماتیکی

7-3 شیر قطع ووصل لوله اصلی

6-5 شیر تخلیه سریع

6-6 شیر اضطراری

6-7 شیر لغو ترمز جریمه

7-6-1 در حالت هواگیری

6-7-1 در حالت سرویس

6-7-2 در حالتهای لغو ترمز جریمه ، اضطراری و Handle Off

7-7 شیر خروسکی

منابع و مأخذ:

1-The Analysis and Desing of Pneumatic Systems. Blaine W. Anderson.

1967John Wiley&Sons

2- Fluid Mechanics V.L Streeter & E.B .Wylie 1996 John Wiley&Sons

3- Modern control Engineering 3 ed 1997 . Katsohiko Ogata

4-control Engineering 2ed1995 Benjamin Kaw

پروژه مدل سازی رآکتور شیمیایی با شبکه‌های عصبی مصنوعی

نوع فایل: word

قابل ویرایش 150 صفحه

چکیده:

در این پروژه، ورودی‌ها و خروجی‌های یک سیستم چند ورودی و چند خروجی غیر خطی، برای ایجاد یک مدل دینامیکیِ هوشمند، استفاده شده است. بنابراین انتخاب شبکه‌های عصبی مصنوعیاز نوع پرسپترون‌های چندلایهبرای این منظور مناسب است. در کنار این نوع از مدل‌سازی، استفاده از یک شیوه‌ی مناسب برای کنترل پیشگویانه (پیش بینانه)ی مدل یاد شده، ضروری است.

مدل‌های برگشتی تصحیح شونده که از قوانین تعدیل ماتریس‌های وزنی مسیرهای ارتباطی بین نرون‌های مدل استفاده می‌کنند، در این پروژه به کار گرفته شده‌اند.

این قوانین برای آموزش سیستم، جهت کنترل و دستیابی به خروجی مطلوب در زمان‌های بعدی به کار می‌روند.

فراگیری در این سیستم نیز از نوع فراگیری با سرپرستمی‌باشد؛ به این صورت که معادله‌ی دیفرانسیل دینامیکیِ سیستم در دسترس است و بنابراین مقادیر مطلوب برای متغیر هدف، که سیستم باید به آن برسد، برای زمان‌های آینده مشخص می‌باشد و خروجی سیستم با استفاده از یک کنترل‌کننده‌ی پیش‌بین، همواره باید به این اهداف دست یابد. سیستم مورد مطالعه در این پروژه، یک رآکتور شیمیایی است که برای اختلاط پیوسته‌ی مواد شیمیایی واکنش دهنده با غلظت‌ها و مقادیر تعریف شده و تولید یک ماده‌ی محصول با یک غلظت متغیر با زمانبه کار می‌رود؛ که میزان مطلوب این غلظت در یک زمان خاص، به‌عنوان هدف مطلوبی است که سیستم باید به آن دست یابد.

همچنین به‌جای یک سیستم واقعی، از یک مدل نرم‌افزاری برای جمع‌آوری داده‌های ورودی و خروجی استفاده می شود و در نهایت، نتایج این مدل سازی موفقیت‌آمیز، توانایی روش‌های مدل سازی هوشمند را همان‌گونه که در این تحقیق آمده است، اثبات می‌کند.

مقدمه:

در کنترل با پسخور ، که به عنوان معمول‌ترین نوع کنترل سیستم‌های دینامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، فرمان کنترل سیستم، با در نظر گرفتن میزان خطای محاسبه شده بین خروجی واقعی و مطلوب، صادر می‌شود.

کنترل پیش‌بین نیز که با استفاده از روش‌های هوش محاسباتی انجام می‌شود، نوعی کنترل با پسخور است. در این روش کنترلی، خطای سیستم قبل از اینکه اتفاق بیفتد، پیش‌بینی شده و برای تعیین دستور کنترل خطا، پیش از آنکه خطایی اتفاق بیفتد، استفاده می‌شود.

کنترل پیش بین در ابتدا به عنوان مدل کنترلی پیش بین کلاسیک که به یک مدل خطی، از سیستم، در فضای حالت نیاز داشت، معرفی شد.

در هر حال طبیعت غیرخطی بسیاری از سیستم‌ها، قابل صرف نظر کردن نیست؛ بنابراین مدل‌های خطیِ فضای حالت نمی‌توانند به‌درستی، خواص غیر خطی سیستم‌ها را ارائه دهند.

در چنین مواردی، تقریب کامل یا قسمتی از مدُل خطی ممکن است استفاده شود ولی در حالت کلی مدل‌های غیر خطی برای پیش بینیِ خروجی سیستم‌های غیر خطی برای اهداف کنترلی استفاده می‌شوند.

برخی از روش‌هایی که از اساس قواعد فیزیک استفاده می‌کنند، وجود دارند که می‌توانند مُدل برخی از سیستم‌ها را به طور کامل، و یا تا اندازه‌‌ی قابل قبولی، توصیف کنند و ساختارهای مدل را به‌وجود آورند.

شبکه‌های عصبی مصنوعی 2] و [11 و سیستم‌های منطق فازی(شبکه‌های نوروفازی) 8] [نیز می‌توانند برای مدل کردن سیستم‌ها به کار روند که به عنوان روش‌های مدل سازی هوشمند طبقه‌بندی می‌شوند. این گونه مدل‌ها باید پس از طراحی مقدماتی، توسط داده‌های ورودی و خروجی آموزش ببینند.

سیگنال داده‌های ورودی و خروجی در آموزش سیستم، به‌صورت آرایه‌ای‌از اعداد استفاده می‌شوند. آموزش سیستم به این شیوه، برای بهبود عملکرد سیستم، به شدت وابسته به خروجی مُدل می‌باشد.

در این پروژه، سیستم مورد مطالعه برای مُدل‌سازی هوشمند، یک رآکتور شیمیایی در نظر گرفته شده است که مدل نرم‌افزاری آن، در دسترس می‌باشد [2] و داده‌های ورودی و خروجی این سیستم، با داده‌های حاصل از آزمایش یک رآکتور واقعی، جایگزین می‌شود.

رآکتور شیمیایی مورد مطالعه، یک سیستم دینامیکی غیر خطی با چند ورودی و چند خروجیاست.

هدف این تحقیق، آشکار ساختن توانایی یک مدل هوشمند، برای مقاصد پیش‌بینی غیر خطی کمیت‌های سیستم دینامیکی و پیشنهاد راه‌کارهای مفیدی جهت کاربرد سیستم‌های هوشمند است.

در واقع روش‌ پیشنهادی می‌تواند در مواقعی که مدل ریاضی دقیقی از سیستم با استفاده از روش‌های مشخص و معمول (مانند معادله‌های موازنه جرم و انرژی) در دسترس نیست، و یا اینکه ساختار ریاضی و یا پارامترهای غیر قابل اندازه‌گیری و تأثیرگذار مدل به طور قابل توجهی نامشخص باشد (مانند ایجاد خوردگی در برخی نقاط خطوط انتقال یا بدنه سیستم) مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از ویژگی‌های برجسته‌ی این مدل هوشمند در مقایسه با روش‌های مدل سازی کلاسیک، بی‌نیازی آن در اندازه‌گیری پارامترهای سیستم (مانند پارامترهای مربوط به انتقال جرم و حرارت) است.[8]

مرور اجمالی فصل‌های این پایان‌نامه به قرار زیر است:

فصل اول، مقدمه‌ای شامل شرح عنوان پایان‌نامه، روش تحقیق، و تشریح کامل صورت مسأله می‌باشد که از نظر گذشت. در فصل دوم مقایسه‌ای بین شبکه‌های عصبی طبیعی و مصنوعی و نحوه‌ی پردازش داده‌ها در آنها صورت گرفته است. همچنین شیوه‌های یادگیری در انسان و ماشین نیز بررسی شده‌اند.

فصل سوم به معرفی مختصر فنون طرح شناسی می‌پردازد که بخش مهمی از علوم کامپیوتری است. بیشتر مطالب ریاضی در مبحث طرح شناسی همانند مطالب ریاضی بحث شده در مورد شبکه‌های عصبی است. طرح شناسی به‌عنوان یک موضوع پایه، به شناخت ما از نحوه‌ی عملکرد شبکه‌های عصبی کمک می‌کند.

فصل چهارم به معرفی نرون پایه بیولوژیکی و مقایسه‌ی ویژگی‌های آن با پرسپترون که نرون مدل سازی شده برای استفاده در شبکه‌های عصبی مصنوعی است، می‌پردازد؛ و در ادامه به الگوریتم فراگیری پرسپترون و محدودیت‌های آموزش سیستم، توسط تک‌پرسپترون می‌پردازد.

در فصل پنجم به بررسی ساختار مدل پرسپترون چند لایه پرداخته شده و توانایی آن در حل مسائل تفکیک پذیر غیر خطی تشریح شده است. در انتهای این فصل نیز به مواردی از کابرد شبکه‌های عصبی مصنوعی از نوع پرسپترون‌های چند لایه در شبکه‌های گویا، زمینه‌های پزشکی و سیستم‌های پیش‌بین مالی و اقتصادی، اشاره شده است.

در فصل ششم نیز به اصول زمینه‌ای، کاربرد تئوری‌های مطرح شده در فصول قبل و روابط مورد نیاز برای مدل‌سازی یک رآکتور شیمیایی به عنوان یک سیستم غیر خطی پرداخته شده است. در انتها نیز نتایج حاصل از این مدل‌سازی آورده شده است.

 در نهایت فصل هفتم نیز شامل نتیجه‌گیری و پیشنهاداتی در جهت تداوم تحقیق و انجام مدل‌سازی‌های جدیدی از این دست است.

فهرست مطالب:

چکیده

فصل اوّل

مقدمه

مقدمه

فصل دوم

مقدمه‌ای بر مقایسه‌ی شبکه‌های عصبی بیولوژیکی و مصنوعی و شیوه‌های یادگیری در آنها

انسان و کامپیوتر

ساختار مغز

1-2-2 یادگیری در سیستم‌های بیولوژیک

دندریت نرون دیگر را تحریک می‌کنند.

سازمان مغز

یادگیری در ماشین‌ها

4-2 تفاوت‌ها

چکیده نکات مهم فصل دوم

فصل سوم

بازشناسی الگوها

بازشناسی الگوها

مقدمه

چشم‌انداز طرح شناسی

تعریف بازشناسی الگوها

بردارهای مشخصات و فضای مشخصات

توابع تشخیص‌دهنده یا ممیز

فنون طبقه‌بندی

1-6-3 روش طبقه‌بندی «نزدیک‌ترین همسایه»

2-6-3 میزان‌های اندازه‌گیری فاصله

فاصله‌ی همینگ

فاصله‌ی اقلیدسی

7-3 دستگاه‌های طبقه‌بندی خطی

8-3 بازشناسی الگوها – خلاصه

چکیده نکات مهم فصل سوم

فصل چهارم

نرون پایه

1-4-مقدمه

2-4 مدل‌سازی نرون تنها

3-4 تابع آستانه

3-4 فراگیری در نرون‌های ساده

1-3-4 الگوریتم فراگیری پرسپترون

4-4 آدالاین

1-4-4 یادگیری و تعدیل وزنها در آدالاین

با احتساب مقدار 5/0 – برای تورش

2-4-4 قاعده دلتا برای ورودی‌ها و خروجی‌های دوقطبی

5-4 پرسپترون: یک رویکرد برداری

گروه را طبقه‌بندی می‌کند.

6-4 قاعده‌ی فراگیری پرسپترون: اثبات

تعاریف

مرحله‌ی جمع

مرحله‌ی شروع

مرحله‌ی آزمون

7-4 محدودیت‌های پرسپترون:

8-4 آیا این به معنای پایان راه است؟

1-8-4 نتیجه‌گیری

چکیده نکات مهم فصل چهارم

فصل پنجم

پرسپترون چندلایه‌ای

1-5) مقدمه

2-5 تغییر مدل پرسپترون

1-2-5 رفع مشکل

2-2-5 حل مشکل

شکل 2-5 دو راه ممکن برای توابع آستانه‌ای

3-5 مدل جدید

4-5 قاعده جدید فراگیری

1-4-5 ریاضیات

6-5 بررسی مجدد مساله یابی حذفی (XOR)

7-5 تجسم رفتار شبکه

8-5 پروسپترون چند لایه‌ای به عنوان دستگاه طبقه بندی

9-5 تعریف ورودی‌ها بر اساس نحوه چینش آرایه‌های ماتریس ورودی برای یک سیستم استاتیکی

10-5 تعریف ورودی‌ها بر اساس نحوه چینش آرایه‌های ماتریس ورودی برای یک سیستم دینامیکی

1-10-5) مدل سازی سیستم دینا میکی با استفاده از ورودی‌های سری (ماتریس سطری)

2-10-5 مدل سازی سیستم دینامیکی با استفاده از ورودی‌های موازی (ماتریس ستونی)

11-5 روش‌های مختلف آموزش شبکه‌ی عصبی مصنوعی براساس چگونگی ورود داده‌ها

آموزش تدریجی

آموزش یکباره

12-5 تعمیم‌دهی

13-5 تحمل نقص

14-5 مشکلات آموزش

کاهش ضریب بهره

افزایش تعداد گره‌های داخلی

افزایش اغتشاش

1-14-5 سایر مشکلات آموزش

15-5 کاربردها

1-15-5 شبکه‌ی گویا

2-15-5 فیلتر کردن اغتشاش ای – سی – جی (ECG)

3-15-5 کاربردهای مالی

4-15-5 بازشناسی الگوها

چکیده‌ی نکات مهم فصل پنجم

فصل ششم

بررسی ویژگی‌ها و مدل‌سازی رآکتور شیمیایی مورد

بحث در این پروژه:

1-6 اصول و فرضیات زمینه‌ای مربوط

1-1-6) پرسپترون‌های چندلایه

2-6- مدل هوشمند سیستم‌های دینامیکی (جمع‌آوری داده)

دینامیکی و مدل برگشتی آن که u و y به ترتیب ورودی و خروجی آن است.

3-6- آزمون صحت عملکرد مدل

4-6- کنترل غیر خطی پیش‌بین

5-6- ویژگی‌های رآکتور مورد مطالعه

6-6- مدل هوشمند رآکتور مورد مطالعه

7-6) نتایج شبیه‌سازی

فصل هفتم

نتیجه‌گیری

نتیجه گیری

پیوست‌ها

بخش اول

اثبات قانون دلتا

1- الف اثبات قانون دلتا برای آدلاین

1-ب- اثبات قانون دلتا برای پرسترون منفرد

بخش دوم:

2-ب- برنامه‌ی آموزش به شبکه:

3-ب- برنامه بررسی صحت عملکرد پاسخ‌های پیش‌بینی شده‌

مراجع

فهرست اشکال:

شکل 1-2 مشخصات اصلی یک نرون بیولوژیک

شکل 2-2 ورودی‌های نرون باید از آستانه معینی تجاوز کند تا نرون بتواند کنش کند.

شکل 3-2 ناقل شیمیایی آزاد شده از شکاف سیناپس می‌گذرد و دریافت‌کننده‌های

شکل 1-3 یک فضای مشخصات دوبعدی اقلیدسی

شکل 2-3 محدوده‌ی تصمیم یک طبقه‌بندی خطی.

شکل 3-3 طبقه‌بندی به وسیله مقایسه با «نزدیکترین همسایه»

شکل 4-3 اندازه‌گیری تا نزدیک‌ترین همسایه گاه باعث خطا می‌شود.

شکل 6-3 جدا کردن طبقه‌ها توسط یک محدوده تصمیم خطی به اضافه شدن بردار وزن‌ها توجه کنید.

شکل 7-3 طبقه‌بندی خطی جزء به جزء برای طبقه‌بندی طرح‌های جدایی‌پذیر غیرخطی

شکل 1-4 مشخصات اصلی یک نرون بیولوژیک.

شکل 2-4 نمای مدل اصلی نرون.

شکل 4-4 جزئیات مدل نرون پایه.

شکل‌های 5-4 نمایش مدل نرون تک لایه با جزئیات ساختاری آن

شکل 6-4 نمایش مدل نرون تک‌لایه به صورت اختصاری

شکل 8-4 آیا می‌توانیم Aها را از Bها تمیز دهیم؟

شکل 9-4 دو مجموعه‌ی مجزا از الگوها در فضای دوبعدی.

شکل 10-4 رفتار بردار ضرایب وزنی در فضای الگوها.

شکل 11-4 تکامل خط تفکیک‌کننده از حالت تصادفی اولیه به خطی که به درستی دو

شکل 12-4 علامت منطقی یای حذفی.

شکل 13-4 مسأله‌ی یای حذفی XOR در فضای الگوها.

شکل 1-5

شکل 3-5 پروسپترون چند لایه‌ای.

شکل 4-5 ) نمایش مدل پرسپترون چند لایه همراه با جزئیات ساختاری آن

شکل 5-5) نمایش مدل پرسپترون چند لایه به صورت اختصاری

شکل 6-5 یک راه برای مسئله XOR.

شکل 7-5 شبکه‌ای که مسئله XOR را بدون اتصال مستقیم گره‌های ورودی و خروجی حل می‌کند.

شکل 8-5 شبکه پایداری که نمی‌تواند مسئله XOR را حل کند.

شکل 9-5 تابع انرژی در یک بعد بر حسب تغییرات یکی از ضرایب وزنی برای یک الگوی ثابت.

شکل 11-5

شکل 12-5)در پروسپترون می توانند ترکیب شوند و ورودی پروسپترون دیگر را فراهم کنند.

شکل 13-5) ترکیب پرسپترون ناحیه‌ی تصمیم از ترکیب دو پرسپترون و یک پرسپترون دیگر به وجود می‌آید

شکل 14-5) مثال‌هایی از ناحیه‌ی محدب باز و بسته

شکل 15-5) مثال‌هایی از ناحیه دلخواه که از ترکیب ناحیه‌های محدب ایجاد شده است.

شکل 16-5) توانایی پرسپترون‌ها را در تفکیک فضاهای دلخواه نشان می دهد.

شکل 17-5 نحوه تشکیل محدوده‌های فضا توسط تعداد مختلف لایه‌های پرسپترون.

شکل 18-5

شکل 19- 5) نمایش ورود داده‌ها به صورت سری در یک سیستم دینامیکی

شکل 21-5) چگونه می‌توان صدمه‌ی وارده به شبکه را به سرعت بهبود بخشید

شکل 22-5 ساختار شبکه‌ی گویای NETtalk.

شکل 1-6) نمونه ای از نرون عصبی

شکل 2-6) یک پرسپترون سه‌لایه

شکل 3-6) شکل شماتیک از یک سیستم تک‌ورودی – تک‌خروجی مرتبه‌ی اول از یک سیستم

شکل 4-6) پیش‌بینی مقادیر خروجی به‌وسیله‌ی چهار مدل سری شده

شکل 5-6) شکل شماتیک از رآکتور مورد مطالعه

شکل 6-6) رآکتور شیمیایی به‌عنوان یک سیستم چندورودی – چندخروجی

شکل 7-6) مدل دینامیکی رآکتور شیمیایی، وقتی که نرخ وزنی یکی از جریان‌های ورودی ثابت فرض شود.

شکل 8-6) مدل دینامیکی ناکامل برای یک رآکتور، که میزان ارتفاع مایع درون آن، به‌عنوان خروجی در نظر گرفته نشده است.

شکل 9-6) شکل شماتیک از مدل کامل شبکه‌ی عصبی مصنوعی از یک رآکتور شیمیایی

شکل 10-6) نمودار بدست آمده از اولین سری از داده‌های مورد آزمون، برای دو حالت واقعی و تخمینی

شکل 11-6) نتایج کاذب و نامطمئن شبیه‌سازی با استفاده از مدل ناکامل

فهرست جداول:

جدول 1-4) جدول ارزش گزاره برای تابع AND با ورودی‌های 0 و 1

جدول 3-4) جدول ارزش گزاره مربوط به تابع

جدول 4-4) جدول ارزش گزاره‌ها برای تابع

جدول 5-4 ) جدول ارزش گزاره برای تابع

جدول 6-4) جدول ارزش گزاره برای ورودی‌های خروجی و مقدار net و تورش 5/0-

جدول 7-4) الگوی مرحله اول استفاده از مجموعه آموزش، برای تابع

جدول 8-4) الگوی مرحله دوم استفاده از مجموعه آموزش، برای تابع

جدول 9-4)

جدول 10-4 جدول تابع یای حذفی.

جدول 1-6) دقت تخمین، برای مدل‌های مختلف آموزش

جدول 2-6) جدول پیش‌بینی کاذب از دقت مدل شبکه‌ی عصبی مصنوعی ناکامل

منابع و مأخذ:

Russell Beale, Tom Jackson, “Neural Computing: An Introduction”; CRC Press 1990; ISBN: 0852742622

Howard Demuth, Mark Beale, Martin Hagan “Neural Networks Toolbox 5, User's Guide”, The MathWorks, march 2007, Online. 6-3.

فیلیپ پیتکن؛ شبکه‌های عصبی (اصول و کارکردها)، ویرایش دوم؛ مترجم دکتر غضنفری، مهندس ارکات، انتشارات دانشگاه علم و صنعت. سال 1383، شابک: 4-468-454-964

L. McClelland & D.E.Rumelhart, “Parallel Distributed Processing”, Volumes 1, 2, and 3, 1989; ISBN: 0262631296.

Teuvo Kohonen, “An Introduction to Neural Computing”. In Neural Networks, Volume 1, number1, 1988. ISBN: 3540679219.

Donald Hebb & Lawrence Erlbaum; “Organization of Behaviour “Associates; 2002, ISBN: 0805843000.

Minsky & S. Papert. “Perceptrons “MIT Press 1969. ISBN: 1422333442.

Ali Ghaffari, Ali Reza Mehrabian, And Morteza Mohammad-Zaheri, “Identification and Control of Power Plant De-Super Heater Using Soft computing techniques,” Engineering Applications of artificial Intelligence, Special Issue in Applications of A.I. in Process Engineering, vol. 20, no. 2, March 2007, pp. 273-287.

ایلین ریچ، مترجم دکتر مهرداد فهیمی؛ «هوش مصنوعی» انتشارات جلوه؛ پاییز 1379؛ شابک:9-18-6618-964.

Omid Omidvar and Judith E. Dayhoff; Elservier; 1998, ISBN: 0125264208.

Morteza Mohammadzaheri and Lei chen, “Design of an Intelligent controller for a Model Helicopter Using Neuro-Predictive Method with Fuzzy Compensation”, World Congress of Engineering, London. 2~4 July 2007.