碳纳米管力学行为的数值模拟

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第1章绪论

1.1引言

1.2碳纳米管的结构

1.3碳纳米管的力学特性与应用

1.4碳纳米管力学性能的实验检测

1.5碳纳米管力学性能的理论研究及模拟

1.5.1理论预测方法

1.5.2数值模拟方法

1.6本文的研究目标和内容

第2章分子模拟方法的基本介绍

2.1分子模拟的概况

2.2力场

2.2.1力场简述

2.2.2力场作用项的一般式(陈正隆，2007)

2.2.3常见的力场

2.3分子力学方法

2.3.1基本原理

2.3.2分子稳定结构的确定

2.4分子动力学模拟的原理

2.4.1分子动力学发展史

2.4.2分子动力学求解基本步骤

2.4.3作用势与动力学计算

2.4.4时间步长与约束动力学

2.4.5分子动力学模拟在碳纳米管力学行为模拟中的应用

2.5特卡罗计算方法

2.6本章小结

第3章分子结构力学方法

3.1分子结构力学方法

3.1.1分子结构力学方法基本原理

3.1.2分子结构力学方法进展

3.2数值算例

3.2.1有限元模型及参数选取

3.2.2弹性模量

3.2.3动力学特性

3.3本章小结

第4章修正的分子结构力学方法

4.1修正的分子结构力学方法简述

4.2修正的分子结构力学的基本思想

4.3系统能量的等效离散处理

4.4内禀坐标与原子位移间的关系

4.4.1符号规定

4.4.2键长的伸缩变化

4.4.3键角的弯曲变化

4.4.4离面角的表示

4.5修正的分子结构力学方法的建立

4.6应用修正的分子结构力学方法研究单壁碳纳米管的静力学特性

4.6.1纳米管的均匀拉伸

4.6.2碳纳米管的弯曲

4.6.3碳纳米管的扭转

4.7应用修正的分子结构力学方法研究单壁碳纳米管动力学特性

4.7.1多自由度系统的振动

4.7.2单壁碳纳米管的固有频率计算

4.7.3连续模型的固有频率

4.8本章小结

第5章化学键单元方法

5.1化学键单元方法基本原理及方程

5.1.1平面刚度矩阵的推导

5.1.2原子抗扭刚度与键角弯曲弹力常数的关系

5.1.3空间刚度矩阵的推导

5.2化学键单元方法的特点

5.2.1与宏观梁模型的不同

5.2.2化学键单元方法的优势

5.3工程软件中化学键单元方法的实现

5.3.1 ANSYS软件基本单元介绍

5.3.2单元刚度矩阵“病态”的消除

5.3.3单元刚度矩阵从局部坐标到整体坐标的转换

5.3.4转换矩阵可信度的检验

5.4碳纳米管基本力学特性的数值算例

5.4.1碳纳米管的均匀拉伸

5.4.2碳纳米管的扭转

5.4.3力场弹力常数选取对弹性模量计算结果的影响

5.4.4有效厚度选取对弹性模量计算结果的影响

5.4.5泊松比

5.4.6碳纳米管的动力学特性

5.5本章小结

第6章纳米秤及多壁碳纳米管的数值模拟

6.1纳米秤模拟

6.1.1纳米秤的制造

6.1.2纳米秤的理论及数值模拟研究

6.1.3化学键单元方法在纳米秤数值模拟中的应用

6.2单壁碳纳米管等效厚度的推导

6.3多壁碳纳米管力学行为的数值模拟

6.3.1范德华力

6.3.2双壁碳纳米管的杨氏模量及剪切模量

6.3.3双壁碳纳米管的振动

6.4本章小结

第7章全文总结和展望

7.1工作总结

7.2工作展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢