本文關(guān)鍵詞：碳納米管復(fù)合材料力學(xué)性能的多尺度仿真分析

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【摘要】：碳納米管(CNT)高分子納米復(fù)合材料是一個具有廣闊應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域,這歸因于納米增強相的獨特性能。由于這類材料含有典型的多尺度結(jié)構(gòu)特征,傳統(tǒng)的有限元方法難以準(zhǔn)確預(yù)測它的力學(xué)行為與力學(xué)性質(zhì),因此,發(fā)展有效的多尺度力學(xué)模型與算法是當(dāng)前該領(lǐng)域的一個研究熱點。隨著計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展,多尺度數(shù)值仿真技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于納米復(fù)合材料的性能預(yù)測與分析當(dāng)中,這既是對實驗研究的一個有益補充,也是對微納觀材料力學(xué)行為預(yù)測技術(shù)的拓展。要準(zhǔn)確預(yù)測碳納米管高分子復(fù)合材料的力學(xué)行為及性質(zhì),需要較清楚地了解這類材料的微納觀結(jié)構(gòu),并在此基礎(chǔ)上,開展多尺度建模和仿真策略的研究,以實現(xiàn)不同空間和時間尺度之間的無縫連接。本文基于這種思想,結(jié)合分子動力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)和宏觀有限元的數(shù)值仿真技術(shù),通過多尺度數(shù)值方法來研究碳納米管／高分子復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì),為材料設(shè)計與加工提供數(shù)據(jù)參考。1.借助分子模擬與材料設(shè)計的計算軟件MATERIALS STUDIO構(gòu)建單壁碳納米管(SWNT)／環(huán)氧樹脂(EPOXY)復(fù)合材料模型,并對其進(jìn)行分子動力學(xué)模擬,得到原子結(jié)構(gòu)信息。利用能量等效原理,并借助ANSYS中的APDL語言將離散的原子結(jié)構(gòu)處理成連續(xù)的有限元結(jié)構(gòu),即代表體積單元(RVE)。最后將RVE等效成為一個等效纖維(RF),通過應(yīng)變能相等,得到RF的彈性模量,發(fā)現(xiàn)該結(jié)果和Wernik等人模擬的結(jié)果相近,所以證明了這種方法是可行的。2.利用分子動力學(xué)計算軟件LAMMPS對單壁碳納米管/聚乙烯(polyethylene,簡稱PE)復(fù)合材料進(jìn)行分子動力學(xué)(MD)模擬,得到納觀下的原子結(jié)構(gòu)信息。同樣采用原子基連續(xù)的方法(ABC)和APDL語言,將RVE等效成一根纖維,并得到RF的C11,EL,GT,GT,KT的值。3.利用DIGIMAT軟件建立了碳納米管等效纖維隨機分布的PE納米復(fù)合材料的等效力學(xué)模型。分別采用細(xì)觀力學(xué)有限元方法和MORI-TAN AKA方法計算分析了碳納米管體積含量為0.1%、0.2%和0.3%時,碳納米管／聚乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì),結(jié)果表明,有限元計算的結(jié)果與MORI-TANAKA方法計算的結(jié)果接近,但是小于MORI-TANAKA方法計算的結(jié)果,這是由于MORI-TANAKA方法存在理想假設(shè),而細(xì)觀力學(xué)有限元模擬并未考慮理想假設(shè)。
【關(guān)鍵詞】：分子動力學(xué) 原子基連續(xù)方法 跨尺度方法 Mori-Tanaka方法 細(xì)觀力學(xué)有限元方法
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB33;TQ127.11
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-18
• 1.1 課題背景和意義9-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-17
• 1.2.1 多尺度方法研究進(jìn)展11-12
• 1.2.2 碳納米管/高分子材料的分子動力學(xué)模擬進(jìn)展12-14
• 1.2.3 碳納米管/高分子復(fù)合材料的連續(xù)模擬進(jìn)展14-15
• 1.2.4 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)模擬進(jìn)展15-17
• 1.3 本文的主要工作17-18
• 2 理論及計算方法18-36
• 2.1 分子動力學(xué)簡單理論18-24
• 2.1.1 牛頓方程18-19
• 2.1.2 分子力場19-21
• 2.1.3 周期性邊界條件和截斷半徑21-22
• 2.1.4 系綜簡介22-24
• 2.2 原子基連續(xù)方法24-31
• 2.3 細(xì)觀力學(xué)模型31-36
• 2.3.1 細(xì)觀力學(xué)概念31-33
• 2.3.2 MORI-TANAKA等效夾雜方法33-34
• 2.3.3 細(xì)觀力學(xué)有限元方法34-36
• 3 碳納米管/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料的等效纖維力學(xué)性質(zhì)研究36-46
• 3.1 CNT/EPOXY納米復(fù)合材料的分子動力學(xué)模擬36-37
• 3.2 CNT/EPOXY納米復(fù)合材料的原子基連續(xù)方法37-41
• 3.2.1 碳納米管的連續(xù)模擬37-38
• 3.2.2 周圍高聚物及中間相的連續(xù)模擬38-41
• 3.3 碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的等效纖維力學(xué)參數(shù)41-46
• 4 碳納米管/聚乙烯復(fù)合材料的等效纖維力學(xué)性質(zhì)研究46-54
• 4.1 CNT/PE納米復(fù)合材料的分子動力學(xué)模擬46-48
• 4.2 CNT/PE納米復(fù)合材料的的原子基連續(xù)方法48-54
• 4.2.1 聚乙烯基體及其中間相的連續(xù)模擬48-50
• 4.2.2 邊界條件及等效纖維模擬50-54
• 5 碳納米管/聚乙烯復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)模型計算分析54-61
• 5.1 MORI-TANAKA理論計算分析54-56
• 5.2 細(xì)觀力學(xué)有限元計算分析56-61
• 結(jié)論61-63
• 參考文獻(xiàn)63-69
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況69-70
• 致謝70-71

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本文編號：961469