基于分子動力學(xué)的納結(jié)構(gòu)梁靜態(tài)和動態(tài)特性研究.pdf

1、納機(jī)電系統(tǒng)是基于納米科技發(fā)展起來的新興前沿技術(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到納米量級時，由于小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)的影響，納結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與方法和傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計理論與方法有著本質(zhì)的不同。納結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性、彈性模量和失效機(jī)理等都將發(fā)生質(zhì)的變化，必須應(yīng)用近代物理學(xué)的最新成果，在分子尺度上去研究納結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性。本文借助分子動力學(xué)仿真技術(shù)研究納結(jié)構(gòu)梁在真空和非真空環(huán)境下的靜態(tài)彎曲特性和受迫振動響應(yīng)特性，并定量計算出一些力學(xué)性能的表征參數(shù)。這對于

2、全面認(rèn)識納結(jié)構(gòu)的變形和振動過程的機(jī)理，指導(dǎo)納結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造具有重要的理論意義和實(shí)用價值，將為納機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。
　　本文在查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，首先討論了適合于納機(jī)電系統(tǒng)封裝環(huán)境的流動區(qū)域，適合于碳納米管和單晶硅材料仿真的勢能函數(shù)和求解算法，模擬了靜載下納米梁的彎曲特性。采用邊界層—恒溫層—牛頓層結(jié)構(gòu)建立了單壁碳納米管、單晶硅納米實(shí)心梁和空心梁的三維分子動力學(xué)仿真模型；通過Tersoff-Brenne

3、r勢函數(shù)來描述碳納米管原子間的相互作用，Tersoff勢函數(shù)來描述單晶硅原子間的相互作用；利用Verlet算法的速度格式求解運(yùn)動方程；應(yīng)用VisualC++和MSModeling軟件來編寫程序和實(shí)現(xiàn)圖形顯示。計算結(jié)果表明：納米梁結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了明顯的表面效應(yīng)和尺度效應(yīng)。由于納米尺度上梁結(jié)構(gòu)的表面積/體積比很大，使得碳納米管的初始能量最高、單晶硅實(shí)心納米梁的初始能量最低。小尺寸效應(yīng)使得納米梁的彎曲撓度、彎曲變形均不同于傳統(tǒng)計算結(jié)果。通過過載失

4、效的仿真結(jié)果觀察到納米梁的斷裂處出現(xiàn)在梁與支撐體的結(jié)合處。
　　其次，提出了依據(jù)載荷與撓度關(guān)系曲線來求解納米梁的等效彈簧剛度計算方法，進(jìn)而精確求解出納米尺度下梁的固有頻率，并繪制出納米梁的長度與固有頻率關(guān)系曲線。受迫振動仿真結(jié)果表明納米梁振動的初始階段是暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的疊加，隨著時間的推移，暫態(tài)響應(yīng)逐漸消失而轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，但納米梁系統(tǒng)的質(zhì)心振動頻率略小于外加激勵頻率。當(dāng)外加激勵的頻率等于納米梁的固有頻率時，納米梁發(fā)生共振現(xiàn)象

5、。
　　再次，推導(dǎo)了自由空間和擠壓空間的稀薄氣體分子阻尼效應(yīng)計算公式，使用MD混合MonteCarlo方法對不同氣壓環(huán)境下納米梁進(jìn)行振動仿真。當(dāng)氣壓由1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓降到1000Pa時，納米梁的振動頻率增幅率為1.9％，振幅增幅率達(dá)163.63%，而由5個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓降到1000Pa時，振動頻率增幅率達(dá)3.67%；氣壓由1000Pa降到0Pa時，頻率增幅率達(dá)6.6%，振幅增幅率高達(dá)12.26%。對于相同的壓強(qiáng)變化幅度，處于相對低壓時的

6、壓強(qiáng)變化對納結(jié)構(gòu)振動的影響要遠(yuǎn)明顯于相對高壓時的壓強(qiáng)變化的影響。氣壓一定時隨著梁的長度的縮短，振幅逐漸增大，空氣阻尼影響占主要地位；當(dāng)梁的長度達(dá)到某一值時，振幅達(dá)到最大；隨著梁的長度進(jìn)一步縮短，振幅卻反而減小，固定端影響占主要地位。
　　最后，通過與其他學(xué)者的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較，間接說明本文分子動力學(xué)仿真模型是準(zhǔn)確的。主要比較了單壁碳納米管的彎曲變形過程、單壁碳納米管的彈性模量和不同載荷作用下單壁碳納米管固有頻率的變化趨勢。