碳纳米管增强水泥基复合材料力学行为的有限元数值分析

发布时间：2017-04-09 03:17

  本文关键词：碳纳米管增强水泥基复合材料力学行为的有限元数值分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纳米管(CNTs)力学性能优异,作为增强相应用前景广泛?混凝土材料是工程中运用最广的材料,但开裂是影响其应用的最大问题?碳纳米管作为增强相对水泥基材料的增强作用值得期待?本文采用数值模拟分析的方法对碳纳米管增强水泥基复合材料的性能进行研究?通过采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法和广义梯度近似的方法,对B(N)环状掺杂单壁碳纳米管(SWNTs)与Al的吸附模型在无变形和拉压变形下进行了几何优化,研究了(5,5)单壁碳纳米管的B、N环状掺杂效应,以及拉压变形对B(N)环状掺杂单壁碳纳米管Al吸附性能影响,计算了B(N)环状掺杂单壁碳纳米管的形成能,得出吸附能及吸附结构,确定Al原子最稳定吸附位置。结果表明B、N环状掺杂(5,5)单壁碳纳米管是稳定并且可行的,并且B、N的环状掺杂可以引起单壁碳纳米管与Al之间吸附能增加,一定范围内的拉伸和压缩会引起单壁碳纳米管与不同位置Al吸附能大部分降低?运用ANSYS软件的APDL二次开发功能编写圆柱体在微元体中的三维随机投放程序,建立碳纳米管增强水泥基复合材料模型,进行单轴压缩和拉伸数值模拟,并且分析其水平位移、垂直位移,水平应力,垂直应力及第一主应力的切面图?分析发现碳纳米管的掺入对水泥基复合材料在压缩和拉伸状态下位移变化有一定的影响,但影响范围较小?在增强体颗粒附近,应力分布极不均匀,出现应力集中现象?拉伸过程中,增强体与加载方向平行的侧面应力较小,与加载方向垂直的侧面应力较大,并且引起一定范围内基体应力的增大,应力值与水泥基体应力值之间相差较大。因此可以推断,拉伸破坏时,裂缝可能由碳纳米管与拉伸方向垂直的侧面边缘萌生并扩展?以二维随机分布碳纳米管增强水泥基复合材料模型为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件中生死单元技术对复合材料进行有限元模拟计算,分析在多载荷步下裂纹的萌生、扩展过程,发现增强体与基体的连接处是复合材料最容易产生裂纹之处,裂纹扩展方向为竖向扩展?在不考虑界面时,基体的破坏对整个复合材料的破坏起到了决定性的作用?在考虑不同界面强度下,对碳纳米管增强水泥基复合材料的单轴拉伸破坏过程进行数值模拟。界面强度过低,会导致裂纹先由界面层扩展,进而扩展到基体,荷载过大时,会出现界面完全破坏现象?当界面强度与基体强度相差不大时,裂纹沿着基体应力较大的竖向方向进行扩展,没有出现界面层完全破坏的现象?
【关键词】：碳纳米管 水泥基 数值模拟 裂纹扩展
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU528
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 碳纳米管的结构、性能10-11
• 1.1.1 碳纳米管的结构10
• 1.1.2 碳纳米管的力学性能10-11
• 1.2 碳纳米管增强复合材料的研究现状11-12
• 1.3 研究方法的选择12-13
• 1.4 研究的主要内容及思路13
• 1.5 课题研究的目的和意义13-15
• 第2章B（N）环状掺杂单壁碳纳米管的AL吸附性能15-22
• 2.1 理论模型与计算方法15-16
• 2.2 硼、氮原子环状掺杂对（5，，5）SWNTS的稳定性影响分析16-17
• 2.3 掺杂对AL原子在CNTS表面吸附的结构及吸附能的影响17-19
• 2.4 拉伸和压缩对AL原子吸附结构及吸附能的影响19-21
• 2.5 本章小结21-22
• 第3章 碳纳米管增强水泥基复合材料压缩和拉伸数值模拟22-43
• 3.1 碳纳米管增强水泥基复合材料模型的建立22-26
• 3.1.1 代表体积单元22
• 3.1.2 建立碳纳米管随机分布三维模型的相关程序22-24
• 3.1.3 模型建立过程24-25
• 3.1.4 碳纳米管随机分布三维模型的网格划分25-26
• 3.2 单轴压缩试验的数值模拟26-35
• 3.2.1 选取模型的参数26
• 3.2.2 选择加载方式26
• 3.2.3 数值模拟结果及分析26-35
• 3.3 单轴拉伸试验的数值模拟35-42
• 3.3.1 模型建立及参数选取35
• 3.3.2 选择加载方式35
• 3.3.3 数值模拟结果及分析35-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 碳纳米管增强水泥基复合材料单轴拉伸裂纹扩展模拟43-60
• 4.1 单元生死技术43
• 4.2 失效准则的选取43-44
• 4.3 模型建立及参数选取44
• 4.4 选择加载方式44-45
• 4.5 加载及裂纹扩展实现方法45-53
• 4.6 模拟结果分析53-56
• 4.7 界面强度对材料裂纹扩展的影响56-59
• 4.7.1 模型建立，参数选取与加载56
• 4.7.2 结果与分析56-59
• 4.8 本章小结59-60
• 第5章 结论60-61
• 参考文献61-65
• 在学研究成果65-66
• 致谢66

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