碳納米管束等效力學(xué)性能預(yù)測(cè)及屈曲分析.pdf

1、碳納米管自發(fā)現(xiàn)后就因獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、和光學(xué)等性能獲得廣泛關(guān)注，對(duì)其力學(xué)性能的研究已成為熱門(mén)研究領(lǐng)域之一。由于碳納米管的尺寸及結(jié)構(gòu)問(wèn)題難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，因此目前大部分針對(duì)碳納米管的研究都以理論為主。本文主要以單壁碳納米管束為研究對(duì)象，采用有限元法和解析方法預(yù)測(cè)了單壁碳納米管束的等效力學(xué)性能，并分析其軸壓及徑壓屈曲變形行為，同時(shí)探討了單壁碳納米管束體積分?jǐn)?shù)和單壁碳納米管根數(shù)、長(zhǎng)度、半徑對(duì)等效力學(xué)性能及屈曲行為的影響。論文

2、主要基于商業(yè)有限元軟件ABAQUS6.9進(jìn)行分析。
　　首先，引入一個(gè)軟的基體替代碳納米管之間的范德華作用，并結(jié)合單壁碳納米管殼模型，建立了單壁碳納米管束等效有限元模型?；诖四Ｐ湍M了其軸向拉伸、軸向扭轉(zhuǎn)及徑向拉伸變形情況，預(yù)測(cè)了單壁碳納米管束等效力學(xué)性能。有限元分析結(jié)果和理論模型計(jì)算結(jié)果吻合很好。有限元分析結(jié)果表明：?jiǎn)伪谔技{米管根數(shù)越多，軸向剪切模量逐漸減小并趨于一穩(wěn)定值，而單壁碳納米管根數(shù)對(duì)泊松比和其它方向彈性模量影響不大。

3、單壁碳納米管半徑的增大會(huì)導(dǎo)致軸向彈性模量、橫向彈性模量及軸向剪切模量減小，橫向泊松比增大，而對(duì)軸向泊松比無(wú)顯著影響。單壁碳納米管長(zhǎng)度的增加，軸向彈性模量及軸向剪切模量也增加，當(dāng)長(zhǎng)度增至400nm后，軸向彈性模量及軸向剪切模量趨于穩(wěn)定不再變化，其它彈性模量和泊松比與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。隨著單壁碳納米管束體積分?jǐn)?shù)增大，軸向及橫向彈性模量增加，而軸向及橫向泊松比減小。
　　其次，應(yīng)用有限元理論中的特征值屈曲分析方法和弧長(zhǎng)法分析了單根單壁碳納米管的

4、軸壓及徑壓屈曲模態(tài)及其后屈曲變形行為。有限元結(jié)果同殼體結(jié)構(gòu)屈曲理論預(yù)測(cè)結(jié)果和分子動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，吻合較好。分析結(jié)果顯示軸向及徑向屈曲臨界載荷均隨碳納米管半徑和長(zhǎng)度的增加而減小。
　　最后，模擬了單壁碳納米管束在軸壓及徑壓下的屈曲模態(tài)及其后屈曲變形行為。模擬結(jié)果顯示：?jiǎn)伪谔技{米管根數(shù)和單壁碳納米管束體積分?jǐn)?shù)的增大會(huì)導(dǎo)致單壁碳納米管束軸向及徑向平均屈曲臨界載荷的增大，但徑向平均屈曲臨界載荷隨體積分?jǐn)?shù)的增加只有很小增幅。單壁碳