本文關(guān)鍵詞：碳納米管力學(xué)行為的周向非局部效應(yīng)及其隨曲率的變化

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【摘要】：隨著納米科技的飛速發(fā)展,越來越多的先進納米材料被人們所熟知。碳納米管因其超高強度與剛度而備受科研工作者的關(guān)注,成為先進納米材料的杰出代表。非局部本構(gòu)關(guān)系是納觀世界材料新物理特性(即所謂小尺度效應(yīng))的重要體現(xiàn),其導(dǎo)致了納米材料區(qū)別于宏觀材料的獨特力學(xué)行為與性能。尤其圓柱狀碳納米管的非局部(本構(gòu)關(guān)系)效應(yīng)來自于其軸向及周向的應(yīng)變梯度((?)2u/(?)x2, (?)2w/(?)θ2)。然而,被廣泛用于表征碳納米管力學(xué)行為的非局部梁理論只能表征軸向非局部效應(yīng)的影響,周向非局部效應(yīng)在這種一維理論模型中被完全忽略。因此周向非局部效應(yīng)對碳納米管力學(xué)性能的影響成為評價非局部梁理論可靠性并獲得其適用范圍的關(guān)鍵。另一方面,碳納米管非局部本構(gòu)關(guān)系中的非局部參數(shù)eoa的取值也是諸多學(xué)者共同關(guān)心的問題,且在文獻中不同研究的結(jié)果存在較大的分散度。因此獲得碳納米管可靠eoa取值并對以往eoa值的大分散度提出合理的解釋,已成為碳納米管非局部力學(xué)問題研究的主要內(nèi)容�；谝陨显�,本課題以碳納米管為例,開展了下面兩方面的研究。(1)定性評估周向非局部效應(yīng)對碳納米管屈曲和橫向自由振動的影響。通過非局部殼模型(考慮軸向及周向非局部效應(yīng))和非局部梁模型(只考慮軸向非局部效應(yīng))計算碳納米管的軸向屈曲臨界值及橫向振動頻率并通過兩個模型的差異來評估周向非局部效應(yīng)對碳納米管屈曲和振動的影響。研究發(fā)現(xiàn)：周向非局部效應(yīng)對碳納米管的屈曲和振動有重要影響。在非局部效應(yīng)參數(shù)定為0.21nm時,對于半徑r1nm的瘦長單層碳納米管的屈曲和振動,周向非局部效應(yīng)可以使臨界屈曲應(yīng)變減小45%,使振動頻率下降達到21%；而對于半徑r2.38nm的碳納米管周向非局部效應(yīng)影響微小,可以忽略不計。(2)考察曲率半徑r與周向非局部效應(yīng)參數(shù)(eoa)c的關(guān)系。通過分子動力學(xué)模擬不同曲率半徑的碳納米管的屈曲,然后擬合非局部殼模型,得出了不同曲率半徑下碳納米管屈曲的周向非局部效應(yīng)參數(shù)(eoa)c。研究發(fā)現(xiàn)：周向非局部效應(yīng)參數(shù)(eoa)c與曲率半徑r近似成正比,即(eoa)c隨著半徑的增大而增大,兩者比例系數(shù)為常量1.1。需要指出的是第(1)部分的研究工作中是在周向非局部參數(shù)(e0a)c定為0.21nm的前提下得出的,但是隨著課題的開展,通過分子動力學(xué)模擬不同曲率半徑下碳納米管的軸向壓縮屈曲發(fā)現(xiàn)隨著曲率的增大,周向非局部效應(yīng)參數(shù)(e0a)c也成比例增加,這就使得周向非局部效應(yīng)的影響范圍隨之擴大。因此需要對第(1)部分的結(jié)論即周向非局部效應(yīng)的影響范圍進行修正。從這個層面講,第(2)部分的研究工作實際上是對第(1)部分工作的發(fā)展和修正,進一步從量上界定了周向非局部效應(yīng)對碳納米管力學(xué)行為的影響。
【關(guān)鍵詞】：碳納米管 曲率半徑 軸向非局部效應(yīng) 周向非局部效應(yīng) 分子動力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O613.71;TB383.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 課題背景和意義10-17
• 1.1.1 納米材料的發(fā)展及分類10-12
• 1.1.2 納米材料的性能與應(yīng)用12-15
• 1.1.3 小尺度效應(yīng)簡述15-16
• 1.1.4 納米力學(xué)的意義16-17
• 1.2 碳納米管簡介17-19
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4 研究目標和內(nèi)容20-21
• 1.5 本章小結(jié)21-22
• 第二章 研究方法22-33
• 2.1 非局部力學(xué)模型22-25
• 2.1.1 非局部力學(xué)理論22
• 2.1.2 非局部殼模型22-24
• 2.1.3 非局部梁模型24-25
• 2.2 分子動力學(xué)研究方法25-30
• 2.2.1 基本原理26-27
• 2.2.2 勢函數(shù)的選取27-28
• 2.2.3 積分算法28-29
• 2.2.4 系綜分類29-30
• 2.3 維里應(yīng)力簡述30
• 2.4 建模和計算軟件介紹30-31
• 2.5 技術(shù)路線31-32
• 2.6 本章小結(jié)32-33
• 第三章 周向非局部效應(yīng)對納米管屈曲和振動的影響33-42
• 3.1 碳納米管軸向壓縮屈曲的周向非局部效應(yīng)33-37
• 3.2 碳納米管橫向振動中的周向非局部效應(yīng)37-41
• 3.3 本章小結(jié)41-42
• 第四章 碳納米管的周向非局部曲率效應(yīng)42-55
• 4.1 本章引言42
• 4.2 碳納米管類型的選取42-43
• 4.3 模型建立與參數(shù)確定43-45
• 4.4 環(huán)境變量與載荷施加45-46
• 4.4.1 LAMMPS模擬的環(huán)境變量45
• 4.4.2 載荷施加方法45-46
• 4.5 模擬結(jié)果與討論46-51
• 4.6 非局部效應(yīng)參數(shù)與半徑的關(guān)系51-54
• 4.7 本章小結(jié)54-55
• 第五章 結(jié)論與展望55-57
• 5.1 全文工作總結(jié)55-56
• 5.2 展望56-57
• 參考文獻57-62
• 致謝62-63
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果63

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本文編號：530878