• شماره ركورد
    25040
  • شماره راهنما
    MEC2 289
  • عنوان

    پيش‌بيني رفتار كششي فيلامنت‌هاي كامپوزيتي تقويت‌شده با الياف كوتاه با استفاده از مدل ميكرومكانيك و يادگيري ماشين

  • مقطع تحصيلي
    كارشناسي ارشد
  • رشته تحصيلي
    مهندسي مكانيك - طراحي كاربردي
  • دانشكده
    فني و مهندسي
  • تاريخ دفاع
    1404/07/26
  • صفحه شمار
    98ص .
  • استاد راهنما
    محمد حيدري راراني
  • استاد مشاور
    محسن ميرخلف
  • كليدواژه فارسي
    ساخت افزايشي , فيلامنت كامپوزيتي ABS-glass , مدل‌سازي ميكرومكانيكي , يادگيري ماشين كلاسيك , يادگيري عميق
  • چكيده فارسي
    در اين پژوهش، با هدف بررسي و بهينه‌سازي فيلامنت‌هاي كامپوزيتي ABS-glass براي كاربردهاي مهندسي مواد و ساخت افزايشي، ابتدا فرآيند توليد اين فيلامنت‌ها به روش اكستروژن مواد انجام گرفت. پس از توليد، نمونه‌ها تحت مجموعه‌اي از آزمون‌هاي تجربي شامل آزمون كشش تك‌محوره، آزمون كوره و تصويربرداري ميكروسيتي قرار گرفتند. نتايج اين آزمون‌ها به‌ويژه داده‌هاي به‌دست‌آمده از ميكروسيتي، مبناي اصلي براي تحليل‌هاي دقيق‌تر و مدل‌سازي ميكرومكانيكي در نرم‌افزار Digimat قرار گرفت. استفاده هم‌زمان از چند آزمون تجربي موجب شد تا علاوه بر تعيين خواص مكانيكي اصلي، ميزان صحت و دقت فرضيات اوليه در فرآيند توليد نيز ارزيابي گردد. در ادامه، مدل‌سازي ميكرومكانيكي رفتار كششي فيلامنت‌هاي كامپوزيتي تقويت‌شده با الياف كوتاه در نرم‌افزار Digimat-MF انجام شد. براي اطمينان از صحت فرآيند مدل‌سازي، نتايج حاصل با داده‌هاي آزمايشگاهي مقايسه گرديد. پس از اين صحت‌سنجي، يك مطالعه پارامتري گسترده براي بررسي اثر عوامل كليدي شامل كسر حجمي الياف، كسر حجمي حفره، نسبت طول به قطر الياف و جهت بارگذاري كششي انجام شد. بر پايه داده‌هاي حاصل از مدل‌سازي، يك پايگاه داده شامل 100 نمودار تنش–كرنش ايجاد شد. از اين داده‌ها براي تحليل آماري و همچنين به‌عنوان ورودي جهت توسعه يك چارچوب پيش‌بيني هوشمند استفاده شد. در اين راستا، پنج الگوريتم يادگيري ماشين شامل DT، KNN، EN، RF و GPR براي پيش‌بيني هم‌زمان مدول الاستيك و تنش نهايي مورد مقايسه قرار گرفتند. افزون بر اين، دو الگوريتم يادگيري عميق Simple RNN و LSTM براي پيش‌بيني كل نمودار تنش – كرنش به‌كار گرفته شدند. بررسي نتايج نشان داد كه آزمون ميكروسيتي با دقت بالا قادر به نمايش ريزساختار كامپوزيت‌ها بوده و بهترين داده‌ها را براي ورود به مدل‌سازي ميكرومكانيكي فراهم مي‌كند. همچنين اختلاف بين نتايج مدل‌سازي ميكرومكانيكي و آزمون‌هاي تجربي كمتر از 10 درصد به دست آمد كه دقت بالاي مدل‌سازي را نشان مي‌دهد. در بخش مطالعه پارامتري، با افزايش كسر حجمي الياف از 1 تا 15 درصد، مدول الاستيك و تنش نهايي كششي به ترتيب 31.785٪ و 15.968٪ افزايش يافتند. همچنين با افزايش نسبت طول به قطر الياف از 1 تا 10، مدول الاستيك 5.449٪ و تنش نهايي كششي 6.268٪ افزايش يافت. لازم به ذكر است كه مدول الاستيك و تنش نهايي كششي با افزايش كسر حجمي حفره كاهش پيدا كردند. در حالي كه جهت‌هاي مختلف كشش تاثير چنداني بر خواص كششي به دليل همسانگرد بودن ماده نداشت. در ادامه، نتايج تحليل داده‌ها نشان داد كه كسر حجمي الياف موثرترين عامل بر مدول الاستيك و تنش نهايي كششي به ترتيب با ضرايب همبستگي 0.9 و 0.84 مي‌باشد. براي پيش‌بيني هم‌زمان مدول الاستيك و تنش نهايي كششي، الگوريتم GPR با دقت 99.997٪ به عنوان دقيق ترين الگوريتم معرفي شد. همچنين الگوريتم LSTM براي پيش‌بيني كل نمودار تنش - كرنش با دقت 99.995٪ به عنوان دقيق‌ترين الگوريتم معرفي شد. در مجموع، اين تحقيق نشان داد كه تركيب روش‌هاي آزمايشگاهي دقيق با مدل‌سازي ميكرومكانيكي در نرم‌افزار Digimat-MF مي‌تواند چارچوبي دقيق براي پيش‌بيني خواص مكانيكي فيلامنت‌هاي كامپوزيتي ABS-glass توليد شده به روش اكستروژن مواد را فراهم آورد.
  • كليدواژه لاتين
    Material extrusion , ABS-glass composite filament , Micromechanical modeling , Classical machine learning , Deep learning
  • عنوان لاتين
    Prediction of tensile behavior of short fiber-reinforced filament composites using micromechanics models an‎d machine learning
  • گروه آموزشي
    مهندسي مكانيك
  • چكيده لاتين
    In this study, to investigate an‎d optimize ABS–glass composite filaments for materials engineering an‎d additive manufacturing applications, the filaments were first produced via material extrusion. Following fabrication, the specimens were subjected to a series of experimental tests, including uniaxial tensile testing, furnace treatment, an‎d micro-CT imaging. The results of these experiments, particularly the micro-CT data, served as the main basis for detailed analyses an‎d micromechanical modeling using Digimat software. The concurrent use of multiple experimental methods not only enabled the determination of key mechanical properties but also allowed for the eva‎luation of the accuracy an‎d validity of the initial manufacturing assumptions. Subsequently, micromechanical modeling of the tensile behavior of short-fiber-reinforced composite filaments was performed using Digimat-MF. To ensure the reliability of the modeling process, the simulated results were compared with the experimental data. After successful validation, an extensive parametric study was conducted to examine the effects of critical factors, including fiber volume fraction, void volume fraction, fiber aspect ratio, an‎d tensile loading direction. Based on the modeling results, a database comprising 100 stress–strain curves was developed an‎d used for statistical analysis as well as for constructing an intelligent predictive framework. In this framework, five machine learning algorithms, Decision Tree (DT), K-Nearest Neighbors (KNN), Elastic Net (EN), Ran‎dom Forest (RF), an‎d Gaussian Process Regression (GPR), were compared for the simultaneous prediction of elastic modulus an‎d ultimate tensile strength. In addition, two deep learning algorithms, Simple Recurrent Neural Network (Simple RNN) an‎d Long Short-Term Memory (LSTM), were employed to predict the entire stress–strain response. The results revealed that micro-CT testing accurately captured the composite microstructure an‎d provided the most reliable data for micromechanical modeling. The discrepancy between the micromechanical modeling an‎d experimental results was less than 10%, confirming the high accuracy of the modeling process. In the parametric study, increasing the fiber volume fraction from 1% to 15% led to a 31.785% increase in elastic modulus an‎d a 15.968% increase in ultimate tensile strength. Likewise, increasing the fiber aspect ratio from 1 to 10 enhanced the elastic modulus by 5.449% an‎d the ultimate tensile strength by 6.268%. Conversely, increasing the void volume fraction reduced both properties, while varying the loading direction had negligible influence due to the material’s isotropy. Data analysis further indicated that fiber volume fraction was the most influential factor affecting elastic modulus an‎d ultimate tensile strength, with correlation coefficients of 0.9 an‎d 0.84, respectively. Among the machine learning models, GPR achieved the highest prediction accuracy (99.997%) for simultaneous prediction of elastic modulus an‎d tensile strength. Similarly, LSTM yielded the highest accuracy (99.995%) in predicting the complete stress–strain curve. Overall, the results demonstrate that combining high-precision experimental methods with micromechanical modeling in Digimat-MF provides an accurate an‎d robust framework for predicting the mechanical behavior of extrusion-based ABS–glass composite filaments.
  • تعداد فصل ها
    5
  • فهرست مطالب pdf
    146378
  • نويسنده

    باقري، احمدرضا