Modeling of coupled behavior of multifunctional composite structures for energy storage
Enerji depolama için çok fonksiyonlu kompozit yapıların akuple davranış modellemesi
- Tez No: 902256
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERCAN GÜRSES
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Lifli kompozitler, Mikrokırık, Fiber composites, Microfracture
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, mekanik yük taşımanın yanı sıra bir pil hücresi olarak işlev görebilen, mikro ölçekte yapılandırılmış çok işlevli bir kompozit malzemenin çoklu fizik modellemesi için bir çerçeve sunmaktadır. Mikroyapı, çok ince bir katı elektrolit kaplaması ile çevrili tek bir karbon lifinden oluşmakta ve lityumu enterkale edebilen aktif parçacıklar içeren gözenekli bir polimer matris içine gömülmüştür. Dolayısıyla, kompozit yapı farklı elektrokimyasal durumlar (şarj-deşarj) altında elektro-kemo-elastik davranışı taklit etmektedir. Bu durumlarda, lityum iyon hareketi nedeniyle hacimde bir şişme gözlemlenir ki bu, termal yük altında saf hacim genleşmesinin üretildiği ısı genleşmesine çok benzer. İlk adım, elektrokimyasal ve elastik ortamların birleştirilmiş sonlu eleman simülasyonunu araştırmaya odaklanmaktadır. Yapısal bir bataryanın fiber bölgesinin birleştirilmiş davranışını simüle ettikten sonra, analiz lif bölgesindeki çatlak oluşumu ile birleştirilmiştir. Fiber yüzeyinde yüksek konsantrasyon gradyanı nedeniyle mekanik gerilmeler gelişir ve bu da fiberde çatlakların başlamasına ve büyümesine yol açabilir. Yapıdaki çatlak gelişimi, fiberlerin mekanik özelliklerinde azalmaya ve lityum iyonlarının difüzyonunu azaltarak bataryanın şarj özelliklerinde düşüşe neden olur. Bağlı sistemin hasar mekanizmalarını anlamak için, üç farklı çatlak mekanizmasını (Merkezi Çatlak, Yay Çatlağı ve T-Çatlağı) modellemek amacıyla bağlı sisteme bir faz alanı kırılma modeli uygulanmıştır. Her yapılandırma için gerilme dağılımı ve çatlak büyüme davranışı incelenmiş, her bir çatlak tipinin kendine özgü özellikleri ve yayılma mekanizmaları vurgulanmıştır.
Özet (Çeviri)
This work presents a framework for multiphysics modeling of a multifunctional composite material, structured on the microscale, with the ability to function as a battery cell and carry mechanical load. The microstructure consists of a single carbon fiber surrounded by a very thin solid electrolyte coating and embedded in a polymer matrix, a porous material containing active particles able to intercalate lithium. Therefore, the composite structure simulates the electro-chemo-elastic behavior under different electrochemical states (charging-discharging). At these states, a volume swelling caused by lithium-ion movement is observed, similar to heat expansion, where pure volume expansion is produced under thermal load. The first step investigates the monolithically coupled finite element simulation of electro-chemo-mechanical media. After simulating the coupled behavior of the fiber region of a structural battery, the analysis is combined with the crack formation in the fiber region. Due to the high concentration gradient at the fiber surface, mechanical stresses are developed, which may lead to the initiation and growth of cracks in the fiber. Crack evolution in the structure causes a decrease in the mechanical properties of fibers and a reduction in the charging properties of the battery by decreasing the diffusivity of lithium ions. To understand the damage mechanisms of the coupled system, a phase-field fracture model is implemented in the coupled system to model three different crack mechanisms (Central Crack, Arc Crack, and T-Crack). The stress distribution and crack growth behavior are investigated for each configuration, highlighting each crack type's unique characteristics and propagation mechanisms. The open-source finite element software FENICS [61, 62] is used for the FE procedure.
Benzer Tezler
- Nonlinear dynamic behaviour of tapered sandwich plates with multi-layered faces subjected to air blast loading
Çok katmanlı yüzeylere sahip kalınlıkça sivrilen sandviç plakların anlık basınç yüklemesi altındaki lineer olmayan dinamik davranışı
SEDAT SÜSLER
Doktora
İngilizce
2015
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
- Designed-in molecular interactions and cross-linking interface for superior nanocomposites: A multi-scale insight
Moleküler etkileşimlerin ve çapraz bağlanmış arayüzün üstün nanokompozit malzemeler için tasarımı:Bir çok-boyutlu anlayış
ELİF ÖZDEN YENİGÜN
Doktora
İngilizce
2013
Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELİH PAPİLA
- Bell-crank tahrikli yakınsak nozul mekanizmasının tasarımı ve yapısal analizi
Design and structural analysis of a bell-crank driven convergent nozzle mechanism
BATUHAN AK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- MEMS sensor platform for vital monitoring under mri and intraocular pressure measurement
Yaşamsal işaretlerin ve göz içi basıncın ölçülmesine yönelik MEMS basınç ölçer platformunun geliştirilmesi
PARVIZ ZOLFAGHARI
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Bağ kirişli perde sistemlerde değiştirilebilir bağ kirişi ve metalik akma tipi sönümleyicilerin deprem performansının değerlendirilmesi
Evaluation of the seismic performance of replaceable coupling beams and metallic yielding dampers in coupled shear wall system
DİLARAY NUR KAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KUTLU DARILMAZ