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碳纳米管多尺度无网格动力学模型及动响应计算方法研究

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第一章绪论

1.1 碳纳米管的结构

1.2 碳纳米管的力学研究方法回顾

1.3 本文的主要研究工作及内容安排

第二章基于本征梁理论和Shooting法求解非线性曲梁的三维平衡问题

2.1 引言

2.2 本征梁方程

2.3 利用Shooting方法求解本征平衡方程

2.4 应用与计算

2.5 本章小结

第三章基于本征梁的无网格动力学方程

3.1 引言

3.2 本征梁动力学控制方程

3.3 梁的无网格本征方程

3.4 数值仿真应用

3.5 本章小结

第四章碳纳米管的无网格动力学模型

4.1 引言

4.2 碳纳米管的本征动力学方程

4.3 基于原子尺度的本构模型

4.4 CNT的多尺度无网格本征方程

4.5 基于多尺度方法CNTs本征模型的响应仿真

4.6 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录

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摘要

碳纳米管作为一种新型材料,具有许多传统材料不可比拟的优异力学性能,可广泛应用于电子、医药、化工、军事、航空航天等众多领域。本论文的研究旨在建立能够准确描述并高效计算碳纳米管力学行为的模型,从而对碳纳米管的静力和动力学响应进行研究。
  本论文介绍了Hodges提出的本征梁动力学控制方程,该方程采用曲率和应变描述梁三维空间的变形,具有形式简洁,阶数低,协调性好等优点。基于Hodges提出的本征梁理论,本文提出了一种可用于求解碳纳米管准静态响应的高效打靶法,该打靶法无需迭代即可求解一般非线性悬臂梁受伴随载荷下的平衡问题。然后,本文采用插值类型的配点型无网格方法,对本征梁运动控制方程进行空间离散,推导出适用于一般梁的本征无网格动力学方程,可准确求解梁的非线性动力学响应。基于多尺度建模思想,结合本征梁方程基本变量和碳纳米管结构的特点,定义了适用于本征梁方程的代表体积单元,引入修正Morse势能,得到碳纳米管以曲率和应变表示的单位长度势能密度函数,从而建立了碳纳米管适用于本征梁方程的本构方程,进而得到碳纳米管的本征平衡方程和无网格动力学方程。最后,模拟计算了碳纳米管的准静态响应和载荷激励下的动力学响应,得到其弯曲、扭转刚度以及弹性模量,并估测出碳纳米管振动的固有频率。

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