پایان نامه مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود

اختصاصی از فی موو پایان نامه مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

 دانلود پایان نامه  رشته مهندسی برق مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجودبا فرمت ورد و قابل ویرایش تعداد صفحات 97

چکیده 

امروزه سرعت بیشتر و کیفیت سرویس بهتر مهمترین چالش های دنیای شبکه می باشند. تلاشهای زیادی که در این راستا در حال انجام می باشد، منجر به ارائه فنآوری ها، پروتکل ها و روشهای مختلف مهندسی ترافیک شده است. در این پایان نامه بعد از بررسی آنها به معرفی MPLS که به عنوان یک فنآوری نوین توسط گروه IETF ارائه شده است، خواهیم پرداخت. سپس به بررسی انواع ساختار سوئیچ های شبکه خواهیم پرداخت و قسمتهای مختلف تشکیل دهنده یک سوئیچ  MPLS را تغیین خواهیم کرد. سرانجام با نگاهی به روشهای طراحی و شبیه سازی و نرم افزارهای موجود آن، با انتخاب زبان شبیه سازی SMPL، به شبیه سازی قسمتهای مختلف سوئیچ و بررسی نتایج حاصل می پردازیم. همچنین یک الگوریتم زمانبندی جدید برای فابریک سوئیچ های متقاطع با عنوان iSLIP اولویت دار بهینه معرفی شده است که نسبت به انواع قبلی دارای کارآیی بسیار بهتری می باشد. 

- مقدمه 

  با گسترش تعداد کاربران اینترنت و نیاز به پهنای باند بیشتر از سوی آنها، تقاضا برای استفاده از سرویسهای اینترنت با سرعت رو به افزایش است و تهیه کننده های سرویس اینترنت برای برآورده سازی این تقاضا ها احتیاج به سوئیچ های با ظرفیت بیشتر دارند ]1[. در این میان تلاشهای زیادی نیز برای دستیابی به کیفیت سرویس بهتر در حال انجام می‌باشد. فنآوریATM  نیز که به امید حل این مشکل عرضه شد، بعلت گسترش و محبوبیتIP  نتوانست جای آن را بگیرد و هم اکنون مساله مجتمع سازی IP و ATM نیز به یکی از موضوعات مطرح در زمینه شبکه تبدیل شده است. در این فصل به معرفی مسائل و مشکلات مربوط به کیفیت سرویس و مجتمع سازی IP و ATM می پردازیم و راه حلهای ارائه شده از جمله MPLS   رابررسی خواهیم نمود.

فهرست
عنوان                                                                                                       صفحه
فصل اول: کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه    1
1-1- مقدمه    1
1-2- کیفیت سرویس در اینترنت    1
1-2-1- پروتکل رزور منابع در اینترنت    3
1-2-2- سرویس های متمایز    4
1-2-3- مهندسی ترافیک    6
1-2-4- سوئیچنگ برحسب چندین پروتکل    9
1-3- مجتمع سازی IP و ATM    9
1-3-1- مسیریابی در IP    12
1-3-2- سوئیچینگ    13
1-3-3- ترکیب مسیریابی و سوئیچینگ    14
1-3-4- MPLS    20
فصل دوم: فنآوریMPLS    23
2-1- مقدمه    23
2-2- اساس کار MPLS    24
2-2-1- پشته برچسب    26
2-2-2- جابجایی برچسب    27
2-2-3- مسیر سوئیچ برچسب (LSR)    27
2-2-4- کنترل LSP    29
2-2-5- مجتمع سازی ترافیک    30
2-2-6- انتخاب مسیر    30
2-2-7- زمان زندگی (TTL)    31
2-2-8- استفاده از سوئیچ های ATM به عنوان LSR    32
2-2-9- ادغام برچسب     32
2-2-10- تونل    33

2-3- پروتکل های توزیع برچسب در MPLS    34
فصل سوم: ساختار سوئیچ های شبکه    35
3-1- مقدمه    35
3-2- ساختار کلی سوئیچ های شبکه    35
3-3- کارت خط    40
3-4- فابریک سوئیچ    42
3-4-1- فابریک سوئیچ با واسطه مشترک    43
3-4-2 فابریک سوئیچ با حافظه مشترک    44
3-4-3- فابریک سوئیچ متقاطع    45
فصل چهارم: مدلسازی و شبیه‌سازی یک سوئیچ MPLS    50
4-1- مقدمه    50
4-2- روشهای طراحی سیستمهای تک منظوره    50
4-3- مراحل طراحی سیستمهای تک منظوره    52
4-3-1- مشخصه سیستم    53
4-3-2- تایید صحت    53
4-3-3- سنتز    54
4-4 – زبانهای شبیه سازی    54
4-5- زبان شبیه سازی SMPL    56
4-5-1- آماده سازی اولیه مدل    58
4-5-2 تعریف و کنترل وسیله    58
4-5-3 – زمانبندی و ایجاد رخدادها    60
4-6- مدلهای ترافیکی    61
4-6-1- ترافیک برنولی یکنواخت    62
4-6-2- ترافیک زنجیره ای    62
4-6-3- ترافیک آماری    63
4-7- مدلسازی کارت خط در ورودی    64
عنوان                                                                                                        صفحه
4-8- مدلسازی فابریک سوئیچ    66
4-8-1- الگوریتم iSLIP    66
4-8-2- الگوریتم iSLIP اولویت دار    71
4-8-3- الگوریتم iSLIP  اولویت دار بهینه    76
4-9- مدلسازی کارت خط در خروجی    79
4-9-1 – الگوریتم WRR    80
4-9-2- الگوریتم DWRR    81
4-10- شبیه سازی کل سوئیچ    82
4-11- کنترل جریان    90
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات    93
5-1- مقدمه    93
5-2- نتیجه گیری    93
5-3- پیشنهادات    94
مراجع     ..........................95

دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود

اختصاصی از فی موو دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

دانلود  پایان نامه کارشناسی ارشد رشته  مهندسی برق   مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS و بررسی مقایسه ای نرم افزارهای موجود با فرمت ورد وقابل ویرایش تعدادصفحات 99

چکیده

امروزه سرعت بیشتر و کیفیت سرویس بهتر مهمترین چالش های دنیای شبکه می باشند. تلاشهای زیادی که در این راستا در حال انجام می باشد، منجر به ارائه فنآوری ها، پروتکل ها و روشهای مختلف مهندسی ترافیک شده است. در این پایان نامه بعد از بررسی آنها به معرفی MPLS که به عنوان یک فنآوری نوین توسط گروه IETF ارائه شده است، خواهیم پرداخت. سپس به بررسی انواع ساختار سوئیچ های شبکه خواهیم پرداخت و قسمتهای مختلف تشکیل دهنده یک سوئیچ  MPLS را تغیین خواهیم کرد. سرانجام با نگاهی به روشهای طراحی و شبیه سازی و نرم افزارهای موجود آن، با انتخاب زبان شبیه سازی SMPL، به شبیه سازی قسمتهای مختلف سوئیچ و بررسی نتایج حاصل می پردازیم. همچنین یک الگوریتم زمانبندی جدید برای فابریک سوئیچ های متقاطع با عنوان iSLIP اولویت دار بهینه معرفی شده است که نسبت به انواع قبلی دارای کارآیی بسیار بهتری می باشد.

- مقدمه

با گسترش تعداد کاربران اینترنت و نیاز به پهنای باند بیشتر از سوی آنها، تقاضا برای استفاده از سرویسهای اینترنت با سرعت رو به افزایش است و تهیه کننده های سرویس اینترنت برای برآورده سازی این تقاضا ها احتیاج به سوئیچ های با ظرفیت بیشتر دارند ]1[.
در این میان تلاشهای زیادی نیز برای دستیابی به کیفیت سرویس بهتر در حال انجام می‌باشد. فنآوریATM  نیز که به امید حل این مشکل عرضه شد، بعلت گسترش و محبوبیتIP  نتوانست جای آن را بگیرد و هم اکنون مساله مجتمع سازی IP و ATM نیز به یکی از موضوعات مطرح در زمینه شبکه تبدیل شده است.
در این فصل به معرفی مسائل و مشکلات مربوط به کیفیت سرویس و مجتمع سازی IP و ATM می پردازیم و راه حلهای ارائه شده از جمله MPLS   رابررسی خواهیم نمود.


1-2- کیفیت سرویس در اینترنت

سرویسی که شبکه جهانی اینترنت به کاربران خود ارائه داده است، سرویس بهترین تلاش4 بوده است. یکی از معایب اصلی این سرویس این است که با وجود اینکه مسیریاب‌های شبکه به خوبی قادر به دریافت و پردازش بسته های ورودی می باشند ولی هیچگونه تضمینی در مورد سالم رسیدن بسته ها به مقصد وجود ندارد. با توجه به رشد روز افزون استفاده از اینترنت و به خصوص با توجه به اشتیاق زیاد به اینترنت به عنوان ابزاری برای گسترش تجارت جهانی، تلاش های زیادی جهت حفظ کیفیت سرویس (QoS)  در اینترنت در حال انجام می باشد. در این راستا در حال حاضر کلاس های سرویس متنوعی مورد بحث و توسعه می باشند. یکی از کلاس های سرویس فوق ، به شرکت ها و مراکز ارائه سرویس های web که نیاز به ارائه سرویس های سریع و مطمئن به کاربران خود دارند، اختصاص دارد.
یکی دیگر از کلاس های سرویس جدید در اینترنت ، به سرویس هایی که نیاز به تاخیر و تغییرات تاخیر کمی دارند، اختصاص دارد. سرویس هایی نظیر تلفن اینترنتی  و کنفرانس‌های تصویری اینترنتی نمونه ای از سرویس های این کلاس سرویس می باشند.
برای نیل به سرویس های جدید فوق، عده ای براین عقیده هستند که در آینده ای نزدیک تکنولوژی فیبر نوری و  WDM  آنقدر رشد خواهد کرد که اینترنت به طور کامل بر مبنای آن پیاده سازی خواهد شد و عملا مشکل پهنای باند و همچنین تضمین کیفیت سرویس وجود نخواهد داشت. عقیده دوم که ظاهرا درست تر از عقیده اول می باشد، این است که با وجود گسترش فنآوریهای انتقال و افزایش پهنای باند، هنوز به مکانیسم هایی برای تضمین کیفیت سرویس کاربران نیاز می باشد. در حال حاضر اکثر تولید کنندگان مسیریاب ها و سوئیچ های شبکه اینترنت، در حال بررسی و افزودن مکانیسم‌هایی  برای تضمین کیفیت سرویس در محصولات خود می باشند.
از سوی سازمان جهانی IETF  مدل ها و مکانیسم های مختلفی برای تضمین کیفیت سرویس مورد تقاضای کاربران ارائه شده است. برخی از مهمترین این مدل ها عبارتند از:
1-    پروتکل رزرو منابع در اینترنت RSVP
2-    سرویس های متمایز  DS
3-    مهندسی ترافیک
4-    سوئیچنگ برچسب چندین پروتکل MPLS
در قسمتهای بعدی به طور خلاصه با هر یک از مدل های فوق آشنا می شویم .

1-2-1- پروتکل رزور منابع در اینترنت
پروتکل RSVP به عنوان یک پروتکل سیگنالینگ برای رزرو منابع در اینترنت استفاده می شود. در شکل 1-1 مثالی از عملیات سیگنالینگ RSVP نشان داده شده است. مطابق با شکل فوق، فرستنده ابتدا پیام PATH را ارسال می دارد. در این پیام مشخصات و پارامترهای ترافیکی فرستنده موجود می باشد. هر مسیریاب شبکه با دریافت پیام PATH با کمک جدول مسیریابی خود پیام را هدایت نموده تا اینکه پیام به مقصد نهایی برسد. گیرنده نهایی بعد از دریافت پیام PATH، پیام RESV را از  خود عبور داده و منابع لازم شامل پهنای باند و فضای بافر را به ارتباط جدید اختصاص می دهد. چنانچه یکی از مسیریاب های موجود در مسیر، قادر به قبول پیام RESV نباشد، آنرا رد نموده و پیام خطایی به گیرنده ارسال می نماید و سپس عملیات سیگنالینگ خاتمه می یابد. با قبول پیام    RESVاز جانب هر مسیر یاب موجود در مسیر، اطلاعات وضعیت مربوط به جریان ترافیکی فوق ثبت می شود .
 
شکل 1-1-  مثالی از عملیات سیگنالینگ RSVP

با ورود هر بسته به مسیریاب های شبکه، واحد طبقه بندی کننده، بسته ورودی را به یک کلاس خاص طبقه بندی نموده و سپس بسته ورودی را در یک صف خاص قرار می دهد. عملیات زمانبندی بسته ها در هر صف موجود در مسیریاب، توسط واحد زمان بند بسته طوری انجام می گردد که کیفیت سرویس مورد نظر تامین شود. این سرویس دارای مشکلات زیر می باشد:
1- میزان اطلاعات وضعیت متناسب با تعداد جریان های ترافیکی افزایش می یابد. بنابراین برای نگهداری اطلاعات وضعیت در مسیریاب ها نیاز به حافظه زیادی می باشد. همچنین بالاسری  عملیات مسیر یاب ها به شدت افزایش می یابد. لذا قابلیت مقیاس پذیری در ساختار سرویس های مجتمع به هیچ وجه مشاهده نمی گردد .
2- هر مسیر یاب نیاز به پروتکل RSVP، روتین کنترل کننده دسترسی، طبقه بندی کننده جریان ترافیکی و زمان بند بسته دارد . بنابراین می توان گفت که در سرویس های مجتمع وظایف پردازشی مسیریاب ها به شدت زیاد می باشد.

1-2-2- سرویس های متمایز
به خاطر مشکلات پیاده سازی و توسعه سرویس های مجتمع که در بالا به آنها اشاره شد، سرویس های متمایز ارائه گردیدند . همانطور که می دانیم درسر فصل بسته های IPv4 فیلد یک بایتی به نام نوع سرویس (ToS)  وجود دارد. در این فیلد سه بیت مختلف وجود دارد که برنامه های کاربردی با استفاده از این سه بیت قادر به تعیین نیازهای خود می باشند. سه بیت فوق عبارتند از:
1-    بیت D : نیاز به تاخیر کم
2-    بیت R :‌نیاز به نرخ اتلاف کم (اطمینان بالا)
3-    بیت T : نیاز به گذردهی بالا
در سرویس های متمایز، فیلد نوع سرویس به فیلد DS تغییر نام کرده است. با کد گذاری های مختلف فیلد DS و پردازش بسته ها براساس مقدار فیلد فوق، می توان کلاس های سرویس متمایزی را ایجاد نمود.

فهرست
عنوان                                                         صفحه
فصل اول: کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه    1
1-1- مقدمه    1
1-2- کیفیت سرویس در اینترنت    1
1-2-1- پروتکل رزور منابع در اینترنت    3
1-2-2- سرویس های متمایز    4
1-2-3- مهندسی ترافیک    6
1-2-4- سوئیچنگ برحسب چندین پروتکل    9
1-3- مجتمع سازی IP و ATM    9
1-3-1- مسیریابی در IP    12
1-3-2- سوئیچینگ    13
1-3-3- ترکیب مسیریابی و سوئیچینگ    14
1-3-4- MPLS    20
فصل دوم: فنآوریMPLS    23
2-1- مقدمه    23
2-2- اساس کار MPLS    24
2-2-1- پشته برچسب    26
2-2-2- جابجایی برچسب    27
2-2-3- مسیر سوئیچ برچسب (LSR)    27
2-2-4- کنترل LSP    29
2-2-5- مجتمع سازی ترافیک    30
2-2-6- انتخاب مسیر    30
2-2-7- زمان زندگی (TTL)    31
2-2-8- استفاده از سوئیچ های ATM به عنوان LSR    32
2-2-9- ادغام برچسب     32
2-2-10- تونل    33

2-3- پروتکل های توزیع برچسب در MPLS    34
فصل سوم: ساختار سوئیچ های شبکه    35
3-1- مقدمه    35
3-2- ساختار کلی سوئیچ های شبکه    35
3-3- کارت خط    40
3-4- فابریک سوئیچ    42
3-4-1- فابریک سوئیچ با واسطه مشترک    43
3-4-2 فابریک سوئیچ با حافظه مشترک    44
3-4-3- فابریک سوئیچ متقاطع    45
فصل چهارم: مدلسازی و شبیه‌سازی یک سوئیچ MPLS    50
4-1- مقدمه    50
4-2- روشهای طراحی سیستمهای تک منظوره    50
4-3- مراحل طراحی سیستمهای تک منظوره    52
4-3-1- مشخصه سیستم    53
4-3-2- تایید صحت    53
4-3-3- سنتز    54
4-4 – زبانهای شبیه سازی    54
4-5- زبان شبیه سازی SMPL    56
4-5-1- آماده سازی اولیه مدل    58
4-5-2 تعریف و کنترل وسیله    58
4-5-3 – زمانبندی و ایجاد رخدادها    60
4-6- مدلهای ترافیکی    61
4-6-1- ترافیک برنولی یکنواخت    62
4-6-2- ترافیک زنجیره ای    62
4-6-3- ترافیک آماری    63
4-7- مدلسازی کارت خط در ورودی    64
عنوان                                                    صفحه
4-8- مدلسازی فابریک سوئیچ    66
4-8-1- الگوریتم iSLIP    66
4-8-2- الگوریتم iSLIP اولویت دار    71
4-8-3- الگوریتم iSLIP  اولویت دار بهینه    76
4-9- مدلسازی کارت خط در خروجی    79
4-9-1 – الگوریتم WRR    80
4-9-2- الگوریتم DWRR    81
4-10- شبیه سازی کل سوئیچ    82
4-11- کنترل جریان    90
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات    93
5-1- مقدمه    93
5-2- نتیجه گیری    93
5-3- پیشنهادات    94
مراجع     ... ...95

تحقیق و پایان نامه کامل و نایاب در مورد مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS (با قابلیت ویرایش / دریافت فایل Word وورد )

اختصاصی از فی موو تحقیق و پایان نامه کامل و نایاب در مورد مدلسازی و شبیه سازی سوئیچ MPLS (با قابلیت ویرایش / دریافت فایل Word وورد ) دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

فصل اول: کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه 1

1-1- مقدمه 1

1-2- کیفیت سرویس در اینترنت 1

1-2-1- پروتکل رزور منابع در اینترنت 3

1-2-2- سرویس های متمایز 4

1-2-3- مهندسی ترافیک 6

1-2-4- سوئیچنگ برحسب چندین پروتکل 9

1-3- مجتمع سازی IP وATM 9

1-3-1- مسیریابی در IP 12

1-3-2- سوئیچینگ 13

1-3-3- ترکیب مسیریابی و سوئیچینگ 14

1-3-4- MPLS 20

فصل دوم: فنآوریMPLS 23

2-1- مقدمه 23

2-2- اساس کار MPLS 24

2-2-1- پشته برچسب 26

2-2-2- جابجایی برچسب 27

2-2-3- مسیر سوئیچ برچسب (LSR)27

2-2-4- کنترل LSP 29

2-2-5- مجتمع سازی ترافیک 30

2-2-6- انتخاب مسیر 30

2-2-7- زمان زندگی (TTL)31

2-2-8- استفاده از سوئیچ های ATM به عنوان LSR 32

2-2-9- ادغام برچسب 32

2-2-10- تونل 33

2-3- پروتکل های توزیع برچسب در MPLS 34

فصل سوم: ساختار سوئیچ های شبکه35

3-1- مقدمه 35

3-2- ساختار کلی سوئیچ های شبکه 35

3-3- کارت خط 40

3-4- فابریک سوئیچ 42

3-4-1- فابریک سوئیچ با واسطه مشترک 43

3-4-2 فابریک سوئیچ با حافظه مشترک 44

3-4-3- فابریک سوئیچ متقاطع 45

فصل چهارم: مدلسازی و شبیه‌سازی یک سوئیچ MPLS 50

4-1- مقدمه 50

4-2- روشهای طراحی سیستمهای تک منظوره 50

4-3- مراحل طراحی سیستمهای تک منظوره 52

4-3-1- مشخصه سیستم 53

4-3-2- تایید صحت 53

4-3-3- سنتز 54

4-4 – زبانهای شبیه سازی 54

4-5- زبان شبیه سازی SMPL 56

4-5-1- آماده سازی اولیه مدل 58

4-5-2 تعریف و کنترل وسیله 58

4-5-3 – زمانبندی و ایجاد رخدادها60

4-6- مدلهای ترافیکی 61

4-6-1- ترافیک برنولی یکنواخت 62

4-6-2- ترافیک زنجیره ای 62

4-6-3- ترافیک آماری 63

4-7- مدلسازی کارت خط در ورودی 64

عنوان صفحه

4-8- مدلسازی فابریک سوئیچ 66

4-8-1- الگوریتم iSLIP 66

4-8-2- الگوریتم iSLIP اولویت دار71

4-8-3- الگوریتم iSLIP اولویت دار بهینه 76

4-9- مدلسازی کارت خط در خروجی 79

4-9-1 – الگوریتم WRR 80

4-9-2- الگوریتم DWRR 81

4-10- شبیه سازی کل سوئیچ 82

4-11- کنترل جریان 90

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 93

5-1- مقدمه 93

5-2- نتیجه گیری 93

5-3- پیشنهادات 94

مراجع

پایان نامه ارشد رشته مکانیک مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

اختصاصی از فی موو پایان نامه ارشد رشته مکانیک مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

دانلود پایان نامه ارشد رشته مکانیک مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی با فرمت ورد و قابل ویرایش تعداد صفحات 240

دانلود پایان نامه آماده

چکیده

 از آنجائیکه شرکت های بزرگ در رشته نانو فناوری مشغول 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 و محیط 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 باشند بیشتر 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.

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.از لحاظ 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.

فهرست مطالب
عنوان                                                                                                             صفحه

فهرست علائم    ر
فهرست جداول    ز
فهرست اشکال    س

چکیده    1

فصل اول    
مقدمه نانو    3
1-1 مقدمه    4
   1-1-1 فناوری نانو    4
1-2 معرفی نانولوله‌های کربنی    5
   1-2-1 ساختار نانو لوله‌های کربنی    5
   1-2-2 کشف نانولوله    7
1-3 تاریخچه    10

فصل دوم    
خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی    14
2-1 مقدمه    15
2-2 انواع نانولوله‌های کربنی    16
   2-2-1 نانولوله‌ی کربنی تک دیواره (SWCNT)    16
   2-2-2 نانولوله‌ی کربنی چند دیواره (MWNT)    19
2-3 مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی    21
   2-3-1 ساختار یک نانو لوله تک دیواره    21
   2-3-2 طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره    24
2-4 خواص نانو لوله های کربنی    25
   2-4-1 خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن    29
       2-4-1-1 مدول الاستیسیته    29
       2-4-1-2 تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک    33
       2-4-1-3 تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها    36
2-5 کاربردهای نانو فناوری    39
   2-5-1 کاربردهای نانولوله‌های کربنی    40
       2-5-1-1 کاربرد در ساختار مواد    41
       2-5-1-2 کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی    43
       2-5-1-3 کاربردهای شیمیایی    46
       2-5-1-4 کاربردهای مکانیکی    47

فصل سوم    
روش های سنتز نانو لوله های کربنی     55
3-1 فرایندهای تولید نانولوله های کربنی    56
   3-1-1 تخلیه از قوس الکتریکی    56
   3-1-2 تبخیر/ سایش لیزری    58
   3-1-3 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD)    59
   3-1-4 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD )    61
   3-1-5 رشد فاز  بخار    62
   3-1-6 الکترولیز    62
   3-1-7 سنتز شعله    63
   3-1-8 خالص سازی نانولوله های کربنی    63
3-2 تجهیزات    64
   3-2-1 میکروسکوپ های الکترونی    66
   3-2-2 میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)    67
   3-2-3 میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی (SEM)    68
   3-2-4 میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM)    70
       3-2-4-1 میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM)    70
       3-2-4-2 میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (STM)    71

فصل چهارم    
شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته    73
4-1 مقدمه    74
4-2 مواد در مقیاس نانو    75
   4-2-1 مواد محاسباتی    75
   4-2-2 مواد نانوساختار    76
4-3 مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو    77
   4-3-1 چارچوب های تئوری در تحلیل مواد    77
       4-3-1-1 چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد    77
4-4 روش های شبیه سازی    79
   4-4-1 روش دینامیک مولکولی    79
   4-4-2 روش مونت کارلو    80
   4-4-3 روش محیط پیوسته    80
   4-4-4 مکانیک میکرو    81
   4-4-5 روش المان محدود (FEM)    81
   4-4-6 محیط پیوسته مؤثر    81
4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی    83
   4-5-1 مدلهای مولکولی    83
       4-5-1-1 مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی)    83
       4-5-1-2 روش اب انیشو    86
       4-5-1-3 روش تایت باندینگ    86
       4-5-1-4 محدودیت های مدل های مولکولی    87
   4-5-2 مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها    87
       4-5-2-1 مدل یاکوبسون    88
       4-5-2-2 مدل کوشی بورن    89
       4-5-2-3 مدل خرپایی    89
       4-5-2-4 مدل  قاب فضایی    92
4-6 محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته    95
   4-6-1 کاربرد مدل پوسته پیوسته    97
   4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل    97
   4-6-3 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله    98
   4-6-4 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله    99
   4-6-5 محدودیتهای مدل پوسته پیوسته    99
       4-6-5-1 محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته    99
       4-6-5-2 محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته    99
   4-6-6 کاربرد مدل تیر پیوسته      100

فصل پنجم    
مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی     102
5-1 مقدمه    103
5-2 نیرو در دینامیک مولکولی    104
   5-2-1 نیروهای بین اتمی    104
       5-2-1-1 پتانسیلهای جفتی    105
       5-2-1-2 پتانسیلهای چندتایی    109
   5-2-2 میدانهای خارجی نیرو    111
5-3 بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته    111
5-4 ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی    113
   5-4-1 مدل انرژی- معادل    114
       5-4-1-1 خصوصیات  محوری نانولوله های کربنی تک دیواره    115
       5-4-1-2 خصوصیات  محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره    124
   5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS    131
       5-4-2-1 تکنیک عددی بر اساس المان محدود    131
       5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS    141
   5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB    155
       5-4-3-1 مقدمه    155
       5-4-3-2 ماتریس الاستیسیته    157
       5-4-3-3 آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی    158
       5-4-3-4 تعیین و نگاشت المان    158
       5-4-3-5 ماتریس کرنش-جابجائی    161
       5-4-3-6 ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای    162
       5-4-3-7 ماتریس سختی برای یک حلقه کربن    163
       5-4-3-8 ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه    167
       5-4-3-9 مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه    168

فصل ششم    
نتایج    171
6-1 نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل    172
   6-1-1 خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره    173
   6-1-2 خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره    176
6-2 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS    181
   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 [    182
   6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره    192
6-3 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB    196

فصل هفتم    
نتیجه گیری و پیشنهادات     203
7-1 نتیجه گیری    204
7-2 پیشنهادات    206

فهرست مراجع     207















فهرست علائم
تعریف                                                                                                علائم اختصاری      

SWCNTs : Single-Walled Carbon Nanotubes
MWCNTs : Multi-Walled Carbon Nanotubes
CNTs : Carbon Nano Tubes
MWNTs : Multi-Walled Nano Tubes
FED : Field Emission Devices
TEM : Transmission Electron Microscope
SEM : Scanning Electron Microscopy
CVD : Chemical Vapor Deposition
PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
SPM : Scanning Probe Microscopy
NEMs : Nano Electro Mechanical System
AFM : Atomic Force Microscopy
STM : Scanning Tunnelling Microscopy
FEM : Finite Element Modeling
ASME : American Society of Mechanical Engineers
RVE : Representative Volume Element
SLGS: Single-Layered Grephene Sheet















فهرست جداول
عنوان                                                                                                             صفحه
جدول 4-1: اتفاقات مهم در توسعه مواد در 350 سال گذشته .......................................................................76
جدول 5-1: خصوصیات هندسی و الاستیک المان تیر.................................................................................135
جدول5-2 : پارامترهای اندرکنش واندر والس ...........................................................................................150
جدول6-1: اطلاعات مربوط به مش بندی المان محدود مدل قاب فضایی در نرم افزار ANSYS ...............184
جدول6-2 : مشخصات هندسی نانولوله های کربنی تک دیواره در هر سه مدل ...........................................185
جدول6-3 : داده ها برای مدول یانگ در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS .......................................186
جدول6-4 : داده ها برای مدول برشی در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS .......................................187
جدول6-5 : مقایسه نتایج مدول یانگ برای مقادیر مختلف ضخامت گزارش شده .......................................194
جدول 6-6 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش صندلی راحتی .............................................196
جدول 6-7 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش زیگزاگ .....................................................197
جدول 6-8 : مقایسه مقادیر E، G و   به دست آمده از مدل های تدوین شده در این تحقیق با نتایج موجود در منابع ..........................................................................................................................................................202
















فهرست اشکال
عنوان                                                                                                                   صفحه
شکل 1-1 : میکروگراف TEMکه لایه های نانو لوله کربنی چند دیواره را نشان می دهد ...............................4
شکل 1-2 : اشکال متفاوت مواد با پایه کربن ..................................................................................................6
شکل 1-3 : تصویر گرفته شده TEM که فلورن هایی کپسول شده به صورت نانولوله های کربنی تک دیواره را نشان می دهد .................................................................................................................................................7
شکل 1-4 : تصویر TEM  از  نانولوله کربنی دو دیواره که فاصله دو دیواره در عکس TEM  nm 36/0 می باشد ..............................................................................................................................................................8
شکل 1-5 : تصویر TEM گرفته شده  از  نانوپیپاد .........................................................................................8
شکل 2-1 : تصویر نانو لوله های تک دیواره و چند دیواره کشف شده توسط ایجیما در سال 1991................15
شکل 2-2 : انواع نانولوله:  (الف) ورق گرافیتی (ب) نانولوله زیگزاگ (0، 12)  (ج) نانولوله زیگزاگ (6، 6) (د) نانولوله کایرال (2، 10) ..........................................................................................................................17
شکل 2-3 : شبکه شش گوشه ای اتم های کربن ..........................................................................................18
شکل2-4 : تصویر شماتیک شبکه شش گوشه ای ورق گرافیتی، شامل تعریف پارامترهای ساختاری پایه و توصیف اشکال نانولوله های کربنی تک دیواره ............................................................................................19
شکل 2-5 : شکل شماتیک یک نانولوله کربنی چند دیواره MWCNTs ...................................................20
شکل 2-6 : نانو پیپاد ....................................................................................................................................21
شکل 2-7 : شکل شماتیک یک نانو لوله که  از  حلقه ها شش ضلعی کربنی تشکیل شده است .....................22
شکل2-8 : تصویر شماتیک یک حلقه شش ضلعی کربنی و پیوندهای مربوطه...............................................22
شکل 2-9 : تصویر شماتیک شبکه کربن در سلول های شش ضلعی .............................................................23
شکل 2-10: توضیح بردار لوله کردن نانو لوله، بصورت ترکیب خطی  از  بردارهای پایه b , a .....................23
شکل2-11: نمونه های نانولوله های صندلی راحتی، زیگزاگ و کایرال و انتها بسته آنها که مرتبط است با تنوع فلورن ها ......................................................................................................................................................24
شکل 2-12: تصویر سطح مقطع یک نانو لوله ...............................................................................................25
شکل 2-13: مراحل  آزاد سازی نانو لوله کربن ............................................................................................33
شکل 2-14 : مراحل کمانش و تبدیل پیوندها در یک نانو لوله تحت بار فشاری ............................................36
شکل 2-15: نحوه ایجاد و رشد نقایص تحت بار کششی  الف: جریان پلاستیک، ب: شکست ترد (در اثر ایجاد نقایص پنج و هفت ضلعی) ج: گردنی شدن نانو لوله در اثر اعمال بار کششی .................................................38
شکل 2-16: تصویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشی SEM اعمال بار کششی بر یک نانو لوله .....................39
شکل 2-17: شکل شماتیک یک نانولوله کربنی به عنوان نوک AFM. .......................................................47
شکل2-18 : نانودنده ها ...............................................................................................................................50
شکل 3- 1: آزمایش تخلیه قوس ..................................................................................................................56
شکل 3-2 : دستگاه تبخیر/سایش لیزری .......................................................................................................58
شکل 3-3 : شماتیک ابزار CVD ...............................................................................................................60
شکل 3-4 : میکروگرافی که صاف و مستقیم بودن MWCNTs  را که به روش PECVD رشد یافته  نشان می دهد .......................................................................................................................................................62
شکل 3-5 : میکروگراف که کنترل بر روی نانو لوله ها را نشان می دهد: (الف)   40–50 nmو (ب). 200–300 nm ...................................................................................................................................................62
شکل 3-6 : نانولوله کربنی MWCNT به عنوان تیرک AFM ..................................................................71
شکل 4-1 : تصویر شماتیک ارتباط بین زمان و مقیاس طول روشهای شبیه سازی چند مقیاسی .......................75
شکل 4-2 : مدل سازی موقعیت ذرات در محیط پیوسته ................................................................................77
شکل 4-3 : محدوده طول و مقیاس زمان مربوط به روشهای شبیه سازی متداول ............................................82
شکل 4-4 : تصویر تلاقی ابزار اندازه گیری و روش های شبیه سازی .............................................................82
شکل 4-5 : تصویر شماتیک وابستگی درونی روش ها و اصل اعتبار روش ....................................................83
شکل 4-6 : تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه ...................................................85
شکل 4-7 : موقعیت نسبی اتمها در شبکه کربنی برای بدست آوردن طول پیوندها در نانولوله ........................85
شکل 4- 8 : المان حجم معرف در نانو لوله کربنی ........................................................................................90
شکل 4- 9 : مدلسازی محیط پیوسته معادل ...................................................................................................90
شکل 4- 10 : المان حجم معرف برای مدلهای شیمیایی، خرپایی و محیط پیوسته ...........................................92
شکل4-11 : تصویر شماتیک تغییر شکل المان حجم معرف .........................................................................92
شکل4-12 : شبیه سازی نانو لوله بصورت یک قاب فضایی ..........................................................................93
شکل4- 13 : اندرکنشهای بین اتمی در مکانیک مولکولی ............................................................................93
شکل4-14: شکل شماتیک یک صفحه شبکه ای کربن شامل اتم های کربن در چیدمان های شش گوشه ای.96
شکل 4-15: شکل شماتیک گروهای مختلف نانولوله کربنی .........................................................................97
شکل 4-16: وابستگی کرنش بحرانی نانولوله به شعاع با ضخامت های تخمینی متفاوت .................................98
شکل 5-1: نمایش نیرو وپتانسیل لنارد-جونز برحسب فاصله بین اتمی r ......................................................107
شکل 5-2 : نمایش نیرو وپتانسیل مورس برحسب فاصله بین اتمی r ............................................................108
شکل 5-3 : تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه ................................................109
شکل5-4 : فعل و انفعالات بین اتمی در مکانیک مولکولی .........................................................................115
شکل5-5 : شکل شماتیک (الف) یک نانولوله صندلی راحتی (ب) یک نانولوله زیگزاگ ..........................116
شکل5-6 : شکل شماتیک یک نانولوله صندلی راحتی (الف) واحد شش گوشه ای (ب) نیرو های توزیع شده روی پیوند b .............................................................................................................................................117
شکل5-7 : شکل شماتیک یک نانولوله زیگزاگ (الف) واحد شش گوشه ای (ب) نیرو های توزیع شده روی پیوند b ......................................................................................................................................................120
شکل5– 8 :  تصویر شماتیک توزیع نیروها برای یک نانولوله کربنی تک دیواره .........................................122
شکل 5-9 : تصویر شماتیک توزیع نیرو در یک نانولوله کربنی زیگزاگ ....................................................124
شکل5- 10: تصویر شماتیک (الف) نانولوله کربنی Armchair، (ب) مدل تحلیلی برای تراکم در جهت محیطی (ج) روابط هندسی .........................................................................................................................125
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 .......................................................132
شکل 5-13: منحنی پتانسیل لنارد-جونز و نیروی واندروالس نسبت به فاصله اتمی .......................................133
شکل5-14 : رابطه نیرو (بین پیوند کربن-کربن) و کرنش بر اساس پتانسیل بهبود یافته مورس ......................137
شکل 5-15 :استفاده از المان میله خرپایی  برای شبیه سازی نیروهای واندروالس .........................................138
شکل5-16 : منحنی نیرو-جابجائی غیر خطی میله خرپایی ...........................................................................139
شکل 5-17: تغییرات سختی فنر نسبت به جابجائی بین اتمی ........................................................................140
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) ......................................................................140
شکل5-19 : المان های نماینده برای مدل های شیمیایی ، خرپایی و محیط پیوسته ........................................142
شکل 5-20 : شبیه سازی  نانولوله های کربنی تک دیواره به عنوان ساختار قاب فضایی ...............................144
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) .................................145
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 .........................................................145
شکل5-23 : نانولوله تحت کشش ..............................................................................................................147
شکل5-24 : یک نانولوله کربنی تک دیواره شبیه سازی شده به عنوان ساختار قاب فضایی ..........................148
شکل5-25 : شکل شماتیک اتمهای کربن و پیوند های کربن متصل کننده آنها در ورق گرافیت .................148
شکل 5-26 : نمودار Eωa بر حسب فاصله بین اتمی ρa ............................................................................150
شکل 5-27 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن و اتم های کربن و پیوندهای کواالانس و واندروالس .....151
شکل5-28 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن که تنها پیوندهای کووالانس را نشان می دهد .................151
شکل5-29 : سه حالت بارگذاری برای معادل سازی انرژی کرنشی مدل ها .................................................152
شکل5-30 : شکل شماتیک از شش گوشه ای کربن و نیرو های غیر پیوندی ..............................................154
شکل5-31 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن با در نظر گرفتن 9 پیوند واندروالس بین اتم های کربن ...154
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 ....................................................................................................................156
شکل5-33 : شکل یک حلقه کربن به صورت یک شش ضلعی متساوی الاضلاع و هر اتم کربن به عنوان گره با نامگذاری قراردادی ....................................................................................................................................159
شکل 5-34 : شکل یک ذوزنقه متساوی الساقین از حلقه شش گوشه  ای کربن (الف) در فضای   x و y  (ب) شکل نگاشت یافته در فضای r و s ..............................................................................................................159
شکل 5-35 : المان ذوزنقه ای هم اندازه و مشابه المان اصلی ABCF که در صفحه به اندازه زاویه θ چرخیده است ..........................................................................................................................................................163
شکل 5-36 : شش حالت ممکن ذوزنقه شکل گرفته در شش گوشه ای کربن ABCDEF. هر ذوزنقه یک شکل دوران یافته از دیگری است ..............................................................................................................166
شکل 5-37 : حلقه شش گوشه ای کربن ABCDEF که تشکیل شده از دو ذوزنقه ABCD و DEFC، دراین شکل نشان داده شده که در این حالت تنها CF ایجاد شده است .......................................................167
شکل 5-38 : شکل شماتیک حلقه کربن شش گوشه ای به عنوان المان پایه صفحه گرافیتی ........................168
شکل 5-39 : پارامترهای هندسی ورق گرافیتی ............................................................................................169
شکل 5-40 : مدل ورق گرافیتی زیگزاگ.ورق گرافیتی تک لایه a)تحت کشش b)تحت بار های مماسی..170
شکل6-1: شکل شماتیک (الف) یک نانولوله صندلی راحتی (ب) یک نانولوله زیگزاگ ...........................172
شکل 6-2 : تغییرات مدول یانگ در جهت محوری E................................................................................173
شکل 6-3 : تغییرات مدول برشی G ...........................................................................................................174

پایان نامه ارشد رشته مکانیک مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

اختصاصی از فی موو پایان نامه ارشد رشته مکانیک مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

دانلود پایان نامه ارشد رشته مکانیک مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی با فرمت ورد و قابل ویرایش تعداد صفحات 240

دانلود پایان نامه آماده

چکیده

 از آنجائیکه شرکت های بزرگ در رشته نانو فناوری مشغول 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 و محیط 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 باشند بیشتر 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.

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.از لحاظ 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.

فهرست مطالب
عنوان                                                                                                             صفحه

فهرست علائم    ر
فهرست جداول    ز
فهرست اشکال    س

چکیده    1

فصل اول    
مقدمه نانو    3
1-1 مقدمه    4
   1-1-1 فناوری نانو    4
1-2 معرفی نانولوله‌های کربنی    5
   1-2-1 ساختار نانو لوله‌های کربنی    5
   1-2-2 کشف نانولوله    7
1-3 تاریخچه    10

فصل دوم    
خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی    14
2-1 مقدمه    15
2-2 انواع نانولوله‌های کربنی    16
   2-2-1 نانولوله‌ی کربنی تک دیواره (SWCNT)    16
   2-2-2 نانولوله‌ی کربنی چند دیواره (MWNT)    19
2-3 مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی    21
   2-3-1 ساختار یک نانو لوله تک دیواره    21
   2-3-2 طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره    24
2-4 خواص نانو لوله های کربنی    25
   2-4-1 خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن    29
       2-4-1-1 مدول الاستیسیته    29
       2-4-1-2 تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک    33
       2-4-1-3 تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها    36
2-5 کاربردهای نانو فناوری    39
   2-5-1 کاربردهای نانولوله‌های کربنی    40
       2-5-1-1 کاربرد در ساختار مواد    41
       2-5-1-2 کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی    43
       2-5-1-3 کاربردهای شیمیایی    46
       2-5-1-4 کاربردهای مکانیکی    47

فصل سوم    
روش های سنتز نانو لوله های کربنی     55
3-1 فرایندهای تولید نانولوله های کربنی    56
   3-1-1 تخلیه از قوس الکتریکی    56
   3-1-2 تبخیر/ سایش لیزری    58
   3-1-3 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD)    59
   3-1-4 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD )    61
   3-1-5 رشد فاز  بخار    62
   3-1-6 الکترولیز    62
   3-1-7 سنتز شعله    63
   3-1-8 خالص سازی نانولوله های کربنی    63
3-2 تجهیزات    64
   3-2-1 میکروسکوپ های الکترونی    66
   3-2-2 میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)    67
   3-2-3 میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی (SEM)    68
   3-2-4 میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM)    70
       3-2-4-1 میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM)    70
       3-2-4-2 میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (STM)    71

فصل چهارم    
شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته    73
4-1 مقدمه    74
4-2 مواد در مقیاس نانو    75
   4-2-1 مواد محاسباتی    75
   4-2-2 مواد نانوساختار    76
4-3 مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو    77
   4-3-1 چارچوب های تئوری در تحلیل مواد    77
       4-3-1-1 چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد    77
4-4 روش های شبیه سازی    79
   4-4-1 روش دینامیک مولکولی    79
   4-4-2 روش مونت کارلو    80
   4-4-3 روش محیط پیوسته    80
   4-4-4 مکانیک میکرو    81
   4-4-5 روش المان محدود (FEM)    81
   4-4-6 محیط پیوسته مؤثر    81
4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی    83
   4-5-1 مدلهای مولکولی    83
       4-5-1-1 مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی)    83
       4-5-1-2 روش اب انیشو    86
       4-5-1-3 روش تایت باندینگ    86
       4-5-1-4 محدودیت های مدل های مولکولی    87
   4-5-2 مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها    87
       4-5-2-1 مدل یاکوبسون    88
       4-5-2-2 مدل کوشی بورن    89
       4-5-2-3 مدل خرپایی    89
       4-5-2-4 مدل  قاب فضایی    92
4-6 محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته    95
   4-6-1 کاربرد مدل پوسته پیوسته    97
   4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل    97
   4-6-3 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله    98
   4-6-4 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله    99
   4-6-5 محدودیتهای مدل پوسته پیوسته    99
       4-6-5-1 محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته    99
       4-6-5-2 محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته    99
   4-6-6 کاربرد مدل تیر پیوسته      100

فصل پنجم    
مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی     102
5-1 مقدمه    103
5-2 نیرو در دینامیک مولکولی    104
   5-2-1 نیروهای بین اتمی    104
       5-2-1-1 پتانسیلهای جفتی    105
       5-2-1-2 پتانسیلهای چندتایی    109
   5-2-2 میدانهای خارجی نیرو    111
5-3 بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته    111
5-4 ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی    113
   5-4-1 مدل انرژی- معادل    114
       5-4-1-1 خصوصیات  محوری نانولوله های کربنی تک دیواره    115
       5-4-1-2 خصوصیات  محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره    124
   5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS    131
       5-4-2-1 تکنیک عددی بر اساس المان محدود    131
       5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS    141
   5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB    155
       5-4-3-1 مقدمه    155
       5-4-3-2 ماتریس الاستیسیته    157
       5-4-3-3 آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی    158
       5-4-3-4 تعیین و نگاشت المان    158
       5-4-3-5 ماتریس کرنش-جابجائی    161
       5-4-3-6 ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای    162
       5-4-3-7 ماتریس سختی برای یک حلقه کربن    163
       5-4-3-8 ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه    167
       5-4-3-9 مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه    168

فصل ششم    
نتایج    171
6-1 نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل    172
   6-1-1 خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره    173
   6-1-2 خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره    176
6-2 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS    181
   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 [    182
   6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره    192
6-3 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB    196

فصل هفتم    
نتیجه گیری و پیشنهادات     203
7-1 نتیجه گیری    204
7-2 پیشنهادات    206

فهرست مراجع     207















فهرست علائم
تعریف                                                                                                علائم اختصاری      

SWCNTs : Single-Walled Carbon Nanotubes
MWCNTs : Multi-Walled Carbon Nanotubes
CNTs : Carbon Nano Tubes
MWNTs : Multi-Walled Nano Tubes
FED : Field Emission Devices
TEM : Transmission Electron Microscope
SEM : Scanning Electron Microscopy
CVD : Chemical Vapor Deposition
PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
SPM : Scanning Probe Microscopy
NEMs : Nano Electro Mechanical System
AFM : Atomic Force Microscopy
STM : Scanning Tunnelling Microscopy
FEM : Finite Element Modeling
ASME : American Society of Mechanical Engineers
RVE : Representative Volume Element
SLGS: Single-Layered Grephene Sheet















فهرست جداول
عنوان                                                                                                             صفحه
جدول 4-1: اتفاقات مهم در توسعه مواد در 350 سال گذشته .......................................................................76
جدول 5-1: خصوصیات هندسی و الاستیک المان تیر.................................................................................135
جدول5-2 : پارامترهای اندرکنش واندر والس ...........................................................................................150
جدول6-1: اطلاعات مربوط به مش بندی المان محدود مدل قاب فضایی در نرم افزار ANSYS ...............184
جدول6-2 : مشخصات هندسی نانولوله های کربنی تک دیواره در هر سه مدل ...........................................185
جدول6-3 : داده ها برای مدول یانگ در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS .......................................186
جدول6-4 : داده ها برای مدول برشی در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS .......................................187
جدول6-5 : مقایسه نتایج مدول یانگ برای مقادیر مختلف ضخامت گزارش شده .......................................194
جدول 6-6 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش صندلی راحتی .............................................196
جدول 6-7 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش زیگزاگ .....................................................197
جدول 6-8 : مقایسه مقادیر E، G و   به دست آمده از مدل های تدوین شده در این تحقیق با نتایج موجود در منابع ..........................................................................................................................................................202
















فهرست اشکال
عنوان                                                                                                                   صفحه
شکل 1-1 : میکروگراف TEMکه لایه های نانو لوله کربنی چند دیواره را نشان می دهد ...............................4
شکل 1-2 : اشکال متفاوت مواد با پایه کربن ..................................................................................................6
شکل 1-3 : تصویر گرفته شده TEM که فلورن هایی کپسول شده به صورت نانولوله های کربنی تک دیواره را نشان می دهد .................................................................................................................................................7
شکل 1-4 : تصویر TEM  از  نانولوله کربنی دو دیواره که فاصله دو دیواره در عکس TEM  nm 36/0 می باشد ..............................................................................................................................................................8
شکل 1-5 : تصویر TEM گرفته شده  از  نانوپیپاد .........................................................................................8
شکل 2-1 : تصویر نانو لوله های تک دیواره و چند دیواره کشف شده توسط ایجیما در سال 1991................15
شکل 2-2 : انواع نانولوله:  (الف) ورق گرافیتی (ب) نانولوله زیگزاگ (0، 12)  (ج) نانولوله زیگزاگ (6، 6) (د) نانولوله کایرال (2، 10) ..........................................................................................................................17
شکل 2-3 : شبکه شش گوشه ای اتم های کربن ..........................................................................................18
شکل2-4 : تصویر شماتیک شبکه شش گوشه ای ورق گرافیتی، شامل تعریف پارامترهای ساختاری پایه و توصیف اشکال نانولوله های کربنی تک دیواره ............................................................................................19
شکل 2-5 : شکل شماتیک یک نانولوله کربنی چند دیواره MWCNTs ...................................................20
شکل 2-6 : نانو پیپاد ....................................................................................................................................21
شکل 2-7 : شکل شماتیک یک نانو لوله که  از  حلقه ها شش ضلعی کربنی تشکیل شده است .....................22
شکل2-8 : تصویر شماتیک یک حلقه شش ضلعی کربنی و پیوندهای مربوطه...............................................22
شکل 2-9 : تصویر شماتیک شبکه کربن در سلول های شش ضلعی .............................................................23
شکل 2-10: توضیح بردار لوله کردن نانو لوله، بصورت ترکیب خطی  از  بردارهای پایه b , a .....................23
شکل2-11: نمونه های نانولوله های صندلی راحتی، زیگزاگ و کایرال و انتها بسته آنها که مرتبط است با تنوع فلورن ها ......................................................................................................................................................24
شکل 2-12: تصویر سطح مقطع یک نانو لوله ...............................................................................................25
شکل 2-13: مراحل  آزاد سازی نانو لوله کربن ............................................................................................33
شکل 2-14 : مراحل کمانش و تبدیل پیوندها در یک نانو لوله تحت بار فشاری ............................................36
شکل 2-15: نحوه ایجاد و رشد نقایص تحت بار کششی  الف: جریان پلاستیک، ب: شکست ترد (در اثر ایجاد نقایص پنج و هفت ضلعی) ج: گردنی شدن نانو لوله در اثر اعمال بار کششی .................................................38
شکل 2-16: تصویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشی SEM اعمال بار کششی بر یک نانو لوله .....................39
شکل 2-17: شکل شماتیک یک نانولوله کربنی به عنوان نوک AFM. .......................................................47
شکل2-18 : نانودنده ها ...............................................................................................................................50
شکل 3- 1: آزمایش تخلیه قوس ..................................................................................................................56
شکل 3-2 : دستگاه تبخیر/سایش لیزری .......................................................................................................58
شکل 3-3 : شماتیک ابزار CVD ...............................................................................................................60
شکل 3-4 : میکروگرافی که صاف و مستقیم بودن MWCNTs  را که به روش PECVD رشد یافته  نشان می دهد .......................................................................................................................................................62
شکل 3-5 : میکروگراف که کنترل بر روی نانو لوله ها را نشان می دهد: (الف)   40–50 nmو (ب). 200–300 nm ...................................................................................................................................................62
شکل 3-6 : نانولوله کربنی MWCNT به عنوان تیرک AFM ..................................................................71
شکل 4-1 : تصویر شماتیک ارتباط بین زمان و مقیاس طول روشهای شبیه سازی چند مقیاسی .......................75
شکل 4-2 : مدل سازی موقعیت ذرات در محیط پیوسته ................................................................................77
شکل 4-3 : محدوده طول و مقیاس زمان مربوط به روشهای شبیه سازی متداول ............................................82
شکل 4-4 : تصویر تلاقی ابزار اندازه گیری و روش های شبیه سازی .............................................................82
شکل 4-5 : تصویر شماتیک وابستگی درونی روش ها و اصل اعتبار روش ....................................................83
شکل 4-6 : تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه ...................................................85
شکل 4-7 : موقعیت نسبی اتمها در شبکه کربنی برای بدست آوردن طول پیوندها در نانولوله ........................85
شکل 4- 8 : المان حجم معرف در نانو لوله کربنی ........................................................................................90
شکل 4- 9 : مدلسازی محیط پیوسته معادل ...................................................................................................90
شکل 4- 10 : المان حجم معرف برای مدلهای شیمیایی، خرپایی و محیط پیوسته ...........................................92
شکل4-11 : تصویر شماتیک تغییر شکل المان حجم معرف .........................................................................92
شکل4-12 : شبیه سازی نانو لوله بصورت یک قاب فضایی ..........................................................................93
شکل4- 13 : اندرکنشهای بین اتمی در مکانیک مولکولی ............................................................................93
شکل4-14: شکل شماتیک یک صفحه شبکه ای کربن شامل اتم های کربن در چیدمان های شش گوشه ای.96
شکل 4-15: شکل شماتیک گروهای مختلف نانولوله کربنی .........................................................................97
شکل 4-16: وابستگی کرنش بحرانی نانولوله به شعاع با ضخامت های تخمینی متفاوت .................................98
شکل 5-1: نمایش نیرو وپتانسیل لنارد-جونز برحسب فاصله بین اتمی r ......................................................107
شکل 5-2 : نمایش نیرو وپتانسیل مورس برحسب فاصله بین اتمی r ............................................................108
شکل 5-3 : تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه ................................................109
شکل5-4 : فعل و انفعالات بین اتمی در مکانیک مولکولی .........................................................................115
شکل5-5 : شکل شماتیک (الف) یک نانولوله صندلی راحتی (ب) یک نانولوله زیگزاگ ..........................116
شکل5-6 : شکل شماتیک یک نانولوله صندلی راحتی (الف) واحد شش گوشه ای (ب) نیرو های توزیع شده روی پیوند b .............................................................................................................................................117
شکل5-7 : شکل شماتیک یک نانولوله زیگزاگ (الف) واحد شش گوشه ای (ب) نیرو های توزیع شده روی پیوند b ......................................................................................................................................................120
شکل5– 8 :  تصویر شماتیک توزیع نیروها برای یک نانولوله کربنی تک دیواره .........................................122
شکل 5-9 : تصویر شماتیک توزیع نیرو در یک نانولوله کربنی زیگزاگ ....................................................124
شکل5- 10: تصویر شماتیک (الف) نانولوله کربنی Armchair، (ب) مدل تحلیلی برای تراکم در جهت محیطی (ج) روابط هندسی .........................................................................................................................125
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 .......................................................132
شکل 5-13: منحنی پتانسیل لنارد-جونز و نیروی واندروالس نسبت به فاصله اتمی .......................................133
شکل5-14 : رابطه نیرو (بین پیوند کربن-کربن) و کرنش بر اساس پتانسیل بهبود یافته مورس ......................137
شکل 5-15 :استفاده از المان میله خرپایی  برای شبیه سازی نیروهای واندروالس .........................................138
شکل5-16 : منحنی نیرو-جابجائی غیر خطی میله خرپایی ...........................................................................139
شکل 5-17: تغییرات سختی فنر نسبت به جابجائی بین اتمی ........................................................................140
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) ......................................................................140
شکل5-19 : المان های نماینده برای مدل های شیمیایی ، خرپایی و محیط پیوسته ........................................142
شکل 5-20 : شبیه سازی  نانولوله های کربنی تک دیواره به عنوان ساختار قاب فضایی ...............................144
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) .................................145
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 .........................................................145
شکل5-23 : نانولوله تحت کشش ..............................................................................................................147
شکل5-24 : یک نانولوله کربنی تک دیواره شبیه سازی شده به عنوان ساختار قاب فضایی ..........................148
شکل5-25 : شکل شماتیک اتمهای کربن و پیوند های کربن متصل کننده آنها در ورق گرافیت .................148
شکل 5-26 : نمودار Eωa بر حسب فاصله بین اتمی ρa ............................................................................150
شکل 5-27 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن و اتم های کربن و پیوندهای کواالانس و واندروالس .....151
شکل5-28 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن که تنها پیوندهای کووالانس را نشان می دهد .................151
شکل5-29 : سه حالت بارگذاری برای معادل سازی انرژی کرنشی مدل ها .................................................152
شکل5-30 : شکل شماتیک از شش گوشه ای کربن و نیرو های غیر پیوندی ..............................................154
شکل5-31 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن با در نظر گرفتن 9 پیوند واندروالس بین اتم های کربن ...154
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 ....................................................................................................................156
شکل5-33 : شکل یک حلقه کربن به صورت یک شش ضلعی متساوی الاضلاع و هر اتم کربن به عنوان گره با نامگذاری قراردادی ....................................................................................................................................159
شکل 5-34 : شکل یک ذوزنقه متساوی الساقین از حلقه شش گوشه  ای کربن (الف) در فضای   x و y  (ب) شکل نگاشت یافته در فضای r و s ..............................................................................................................159
شکل 5-35 : المان ذوزنقه ای هم اندازه و مشابه المان اصلی ABCF که در صفحه به اندازه زاویه θ چرخیده است ..........................................................................................................................................................163
شکل 5-36 : شش حالت ممکن ذوزنقه شکل گرفته در شش گوشه ای کربن ABCDEF. هر ذوزنقه یک شکل دوران یافته از دیگری است ..............................................................................................................166
شکل 5-37 : حلقه شش گوشه ای کربن ABCDEF که تشکیل شده از دو ذوزنقه ABCD و DEFC، دراین شکل نشان داده شده که در این حالت تنها CF ایجاد شده است .......................................................167
شکل 5-38 : شکل شماتیک حلقه کربن شش گوشه ای به عنوان المان پایه صفحه گرافیتی ........................168
شکل 5-39 : پارامترهای هندسی ورق گرافیتی ............................................................................................169
شکل 5-40 : مدل ورق گرافیتی زیگزاگ.ورق گرافیتی تک لایه a)تحت کشش b)تحت بار های مماسی..170
شکل6-1: شکل شماتیک (الف) یک نانولوله صندلی راحتی (ب) یک نانولوله زیگزاگ ...........................172
شکل 6-2 : تغییرات مدول یانگ در جهت محوری E................................................................................173
شکل 6-3 : تغییرات مدول برشی G ...........................................................................................................174