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畢業論文 碳納米管在簡單和組合載荷下的屈曲行為研究

  • 簡介:畢業論文-碳納米管在簡單和組合載荷下的屈曲行為研究,正文共58頁,19657字。,摘 要,碳元素奇特的性質和多種多樣的形態漸漸被人們發現、認識和利用。石墨電極的應用、碳纖維復合材料的開發等都大大推進了人類文明。自從碳納米管被發現
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適用專業:材料工程
適用年級:大學
論文編號:201047

論文簡介:

畢業論文-碳納米管在簡單和組合載荷下的屈曲行為研究,正文共58頁,19657字。
摘 要
碳元素奇特的性質和多種多樣的形態漸漸被人們發現、認識和利用。石墨電極的應用、碳纖維復合材料的開發等都大大推進了人類文明。自從碳納米管被發現以來,實驗研究證明其具有高強度、高剛度等奇異的力學性質以及各種獨特的電學性質。在納米機械、納米材料等相關領域有著不可估量的應用前景,這些都迫切的要求對碳納米管的基本力學性能和變形機制有更深入的了解。
本文以單壁碳納米管和雙壁碳納米管為研究對象,采用分子力學模擬和連續介質理論方法,研究了碳納米管在各種載荷作用下的變形屈曲行為。加載形式包括軸壓、扭轉兩種簡單載荷,以及軸壓和扭轉組合載荷。分析了碳納米管應變能隨應變的變化,并且討論了碳納米管的幾何特性對屈曲行為的影響,將分子力學模擬結果與連續介質理論結果進行了比較,驗證了連續介質理論的可行性。
在簡單載荷下的屈曲行為研究中,得出了碳納米管的手性、長度、半徑對其屈曲變形行為的影響。在雙壁碳納米管的扭轉屈曲研究中,提出了雙壁碳納米管等效厚度的概念,使得理論計算大大簡化,并且計算結果與分子力學模擬結果吻合。
在復合載荷作用下的屈曲行為研究中,分析了不同軸向載荷下,碳納米管的臨界扭轉屈曲,不僅得到了軸向載荷對扭轉屈曲的影響,同時也得到了軸向和扭轉組合載荷下的臨界關系曲線,并且研究了碳納米管幾何特性對臨界關系曲線的影響。
本文研究的碳納米管的屈曲變形規律,對于碳納米管材料的設計起到了指導作用,對碳納米管的應用和發展具有重要的理論和現實意義。
關鍵詞: 單壁碳納米管,雙壁碳納米管,簡單載荷,組合載荷,屈曲行為

ABSTRACT
The unique physical properties and many kinds of configurations of carbon element bave been gradually discovered, understood and used. The development of our society has been greatly accelerated by the application of graphite electrodes, the exploration of composites based on carbon fiber etc. Numerous experiments have shown special mechanical properties, such as high strength and high rigidity as well as electrical properties for carbon nanotubes (CNTs) since they were first reported. Nanotubes are considered to be the most promising materials of applications in nano-engineering and nano-materials, which requires a clear understanding of the mechanical properties and deformation mechanism of CNTs.
In this paper, the molecular mechanics simulation and continuum mechanics method are used to investigate the buckling behavior of SWNTs and DWNTs. The paper deals with the deformation and buckling behavior of SWNTs and DWNTs under different types of loads. The simple loads considered are axial compression, axial tension and torsion, and the combined loads involve simultaneous actions of axial compression (or axial tension) and torsion. The molecular mechanics simulation is used to determine the variation of energies with strain. Simulations results also show the buckling behavior is strongly size dependent. Based on the comparison of molecular mechanics simulation results with the continuum mechanics results, we can prove the continuum mechanics method is reliable.
For the buckling of SWNTs and DWNTs under simple loads, the results show that the buckling behavior is depended by the chiral, length, radius of the carbon nanotubes. For the buckling of DWNTs under torsion load, a new concept of equivalent thickness of DWNTs is introduced, and this simple model provides another new and effective mothod of modeling torsional buckling angles of DWNTs with fairly good accuracy.
For the buckling of SWNTs and DWNTs under combined loads, the buckling behavior of DWNTs under different axial loads are determined. It is found that the buckling behavior of SWNTs and DWNTs subjected to combined loads is also size dependent. The interaction buckling curves are obtained for nanotubes under combined loading case of axial compression or tension and torsion. Besides, we also find that the interaction buckling curves are size dependent.
The reseach of buckling behavior and deformation mechanics of CNTs in this paper is helpful to the design of nanotubes materials, and is meaningful for the development and application of CNTs.
Key Word: single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, simple load, combined load, buckling behavior

目錄
摘 要 I
Abstract II
目錄 IV
1 緒 論 1
1.1 碳納米管結構 2
1.1.1 單壁碳納米管 2
1.1.2 多壁碳納米管 4
1.2 碳納米管的研究現狀 5
1.3 本文主要研究內容 7
2 原子間相互作用勢以及分子力場 8
2.1 Tersoff-Brenner勢 8
2.1.1 非成鍵原子間的作用勢 8
2.1.2 碳-碳共價鍵作用勢 9
2.2 分子力場 10
2.2.1 化學鍵延伸勢能 10
2.2.2 鍵角的變化能 10
2.2.3晶鍵的面外彎曲能 11
2.2.4 晶鍵的扭轉能 11
2.2.5 范德華能 11
3簡單載荷下碳納米管的變形屈曲行為 13
3.1扶手型和鋸齒型單壁碳納米管的軸壓屈曲行為 13
3.1.1分子力學模擬計算模型 13
3.1.2 分子力學模擬結果 14
3.1.3 連續介質力學計算結果 16
3.1.4 單壁碳納米管的半徑、長度和手性對其壓縮屈曲行為的影響 17
3.2扶手型和鋸齒型單壁碳納米管的扭轉變形屈曲行為 20
3.2.1 模擬計算模型 20
3.2.2 單壁碳納米管在扭轉載荷下的連續介質理論解 21
3.2.3 分子力學與連續介質理論結果的比較 23
3.3 扭轉載荷下雙壁碳納米管的變形屈曲行為 25
3.4 本章總結 28
4. 軸向和扭轉組合載荷下碳納米管的變形屈曲行為 30
4.1 引言 30
4.2 雙壁碳納米管在軸向和扭轉組合載荷下屈曲 31
4.2.1 連續介質理論 31
4.2.2 分子力學模型 35
4.2.3分子力學計算結果 35
4.2.4 分子力學于連續力學計算結果比較 37
4.3 單壁碳納米管在軸壓和扭轉組合載荷下的臨界關系 38
4.3.1 模擬計算模型 38
4.3.2 分子力學模擬結果 39
4.4 本章小結 42
5 全文總結 44
6 展望 46
致 謝 47
參考文獻 48


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