基于分子結(jié)構(gòu)力學(xué)的碳納米材料等效力學(xué)性能的分析模型研究.pdf

1、自碳納米材料二十世紀(jì)八十年代被發(fā)現(xiàn)以來,因其在力學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域有著優(yōu)異的性質(zhì),受到眾多科學(xué)工作者的青睞。對其力學(xué)性能的評估更是成為熱門課題,一些科研工作者采用實(shí)驗(yàn)對碳納米管、石墨烯力學(xué)性能進(jìn)行研究的同時(shí),其他人采用理論模型和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了分析。數(shù)值模擬方法有兩種等效模型,離散的分子動(dòng)力學(xué)模型和分子力學(xué)模型能夠很好的模擬碳納米管、石墨烯,精確性高,但建模麻煩,效率較低;連續(xù)介質(zhì)模型,包括梁、殼等模型來模擬碳納米管、石墨烯,其特點(diǎn)為效

2、率高,但精確性較低,本文意在通過用基于分子力學(xué)的離散模型得到的碳納米材料的等效力學(xué)性能,來對連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行定義和修正,進(jìn)而得到精確,高效的碳納米材料力學(xué)性能分析的連續(xù)介質(zhì)模型。
　　本文的主要內(nèi)容有以下幾部分:
　　1.利用石墨層單胞體內(nèi)的能量等價(jià),求得分子力學(xué)的力常數(shù)和兩種結(jié)構(gòu)模型力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系,對Li和Chou模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正,得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確,為碳納米管的模擬提供了準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)求解方法。
　　2.

3、基于分子力學(xué)方法對石墨烯的等效彈性模量、等效泊松比進(jìn)行了解析求解,并采用了柔性節(jié)點(diǎn)模型和剛性節(jié)點(diǎn)模型,分別對石墨烯的面內(nèi)力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　3.采用柔性節(jié)點(diǎn)模型,數(shù)值模擬碳納米管的彎曲剛度與碳納米管的手性,長度,直徑等影響因素的關(guān)系,得到了碳納米管等效彎曲剛度的數(shù)值計(jì)算歸納公式,并解析分析結(jié)果很好吻合。
　　4.采用柔性節(jié)點(diǎn)模型,數(shù)值模擬分析了碳納米管的固有頻率和固有陣型與碳納米管的手性,長度,直徑等影響因素的關(guān)系;

4、利用解析的方法分析了碳納米管振動(dòng)模態(tài)與碳納米管彎曲剛度的關(guān)系,并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相對比,得到了較為準(zhǔn)確的碳納米管振動(dòng)模態(tài)。
　　本文基于分子力學(xué)方法,采用Shi的柔性節(jié)點(diǎn)模型,用離散的模型對碳納米管的彎曲剛度和振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。所得碳納米管的等效彎曲剛度和碳納米管的等效抗拉剛度可給出與解析解吻合良好的力學(xué)性能預(yù)測結(jié)果。此公式為碳納米管的連續(xù)介質(zhì)模型模擬提供了可靠的參數(shù)依據(jù),將離散的分子力學(xué)模型的精確性與連續(xù)介質(zhì)模型的高效性相