碳納米管束等效力學(xué)性能預(yù)測及屈曲分析.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，對其力學(xué)性能的研究已成為熱門研究領(lǐng)域之一。由于碳納米管的尺寸及結(jié)構(gòu)問題難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，因此目前大部分針對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象，采用有限元法和解析方法預(yù)測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)、長度、半徑對等效力學(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)果和理論模型計算結(jié)果吻合很好。有限元分析結(jié)果表明：單壁碳納米管根數(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，而對軸向泊松比無顯著影響。單壁碳納米管長度的增加，軸向彈性模量及軸向剪切模量也增加，當(dāng)長度增至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度無關(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)測結(jié)果和分子動力學(xué)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比，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：單壁碳納米管根數(shù)和單壁碳納米管束體積分?jǐn)?shù)的增大會導(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