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(lái)越多的先進(jìn)納米材料被人們所熟知。碳納米管因其超高強(qiáng)度與剛度而備受科研工作者的關(guān)注,成為先進(jìn)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(dú)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(lái)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(duì)碳納米管力學(xué)性能的影響成為評(píng)價(jià)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(wèn)題,且在文獻(xiàn)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(duì)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(wèn)題研究的主要內(nèi)容。基于以上原因,本課題以碳納米管為例,開(kāi)展了下面兩方面的研究。(1)定性評(píng)估周向非局部效應(yīng)對(duì)碳納米管屈曲和橫向自由振動(dòng)的影響。通過(guò)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(jì)算碳納米管的軸向屈曲臨界值及橫向振動(dòng)頻率并通過(guò)兩個(gè)模型的差異來(lái)評(píng)估周向非局部效應(yīng)對(duì)碳納米管屈曲和振動(dòng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：周向非局部效應(yīng)對(duì)碳納米管的屈曲和振動(dòng)有重要影響。在非局部效應(yīng)參數(shù)定為0.21nm時(shí),對(duì)于半徑r1nm的瘦長(zhǎng)單層碳納米管的屈曲和振動(dòng),周向非局部效應(yīng)可以使臨界屈曲應(yīng)變減小45%,使振動(dòng)頻率下降達(dá)到21%；而對(duì)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(jì)。(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(guò)分子動(dòng)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(kāi)展,通過(guò)分子動(dòng)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?dāng)U大。因此需要對(duì)第(1)部分的結(jié)論即周向非局部效應(yīng)的影響范圍進(jìn)行修正。從這個(gè)層面講,第(2)部分的研究工作實(shí)際上是對(duì)第(1)部分工作的發(fā)展和修正,進(jìn)一步從量上界定了周向非局部效應(yīng)對(duì)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(dòng)力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：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(lèi)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(jiǎn)述15-16
• 1.1.4 納米力學(xué)的意義16-17
• 1.2 碳納米管簡(jiǎn)介17-19
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4 研究目標(biāo)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(dòng)力學(xué)研究方法25-30
• 2.2.1 基本原理26-27
• 2.2.2 勢(shì)函數(shù)的選取27-28
• 2.2.3 積分算法28-29
• 2.2.4 系綜分類(lèi)29-30
• 2.3 維里應(yīng)力簡(jiǎn)述30
• 2.4 建模和計(jì)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(duì)納米管屈曲和振動(dòng)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(dòng)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(lèi)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(xiàn)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(hào)：530878