基于分子結構力學的碳納米材料等效力學性能的分析模型研究.pdf

1、自碳納米材料二十世紀八十年代被發(fā)現以來,因其在力學、電學等領域有著優(yōu)異的性質,受到眾多科學工作者的青睞。對其力學性能的評估更是成為熱門課題,一些科研工作者采用實驗對碳納米管、石墨烯力學性能進行研究的同時,其他人采用理論模型和數值模擬的方法進行了分析。數值模擬方法有兩種等效模型,離散的分子動力學模型和分子力學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)介質模型,包括梁、殼等模型來模擬碳納米管、石墨烯,其特點為效

2、率高,但精確性較低,本文意在通過用基于分子力學的離散模型得到的碳納米材料的等效力學性能,來對連續(xù)介質模型進行定義和修正,進而得到精確,高效的碳納米材料力學性能分析的連續(xù)介質模型。
　　本文的主要內容有以下幾部分:
　　1.利用石墨層單胞體內的能量等價,求得分子力學的力常數和兩種結構模型力學參數之間的關系,對Li和Chou模型的力學參數進行修正,得到的結果較為準確,為碳納米管的模擬提供了準確的力學參數求解方法。
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3、基于分子力學方法對石墨烯的等效彈性模量、等效泊松比進行了解析求解,并采用了柔性節(jié)點模型和剛性節(jié)點模型,分別對石墨烯的面內力學性能進行數值模擬。
　　3.采用柔性節(jié)點模型,數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系,得到了碳納米管等效彎曲剛度的數值計算歸納公式,并解析分析結果很好吻合。
　　4.采用柔性節(jié)點模型,數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系;

4、利用解析的方法分析了碳納米管振動模態(tài)與碳納米管彎曲剛度的關系,并與數值計算結果相對比,得到了較為準確的碳納米管振動模態(tài)。
　　本文基于分子力學方法,采用Shi的柔性節(jié)點模型,用離散的模型對碳納米管的彎曲剛度和振動模態(tài)進行了系統(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性能預測結果。此公式為碳納米管的連續(xù)介質模型模擬提供了可靠的參數依據,將離散的分子力學模型的精確性與連續(xù)介質模型的高效性相