基于粗粒化方法的类超级碳纳米管自由振动研究
发布时间：2021-08-06 01:35
超级碳纳米管是在碳纳米管结构基础上,将每一根碳-碳键替换为碳纳米管而形成的新型结构.类超级碳纳米管是超级碳纳米管对应的宏观结构,在保持外观结构的基础上将尺度放大到宏观尺度.论文建立了类超级碳纳米管的粗粒化模型.基于粗粒化方法,研究了类超级碳纳米管的自由振动.分析了内外管半径以及长度对类超级碳纳米管振动行为的影响.与原结构有限元进行对比,结果表明粗粒化方法能有效的计算类超级碳纳米管的振动行为.
【文章来源】：固体力学学报. 2020,41(04)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
ISCNT[4,4]@(6,6)及其粗粒化模型一阶固有
格栅结构包括二维格栅结构如图1(a)所示,以及三维格栅结构如图1(b)所示.鉴于二维六边形胞元结构与石墨烯结构有着一定的相似性,以及二维六边形胞元结构优秀的力学性能,有必要对三维六边形格栅结构进行分析.本文研究的三维六边形格栅结构与超级碳纳米管有相似的宏观结构.碳纳米管作为一维纳米材料,具有许多优越的力学和电学性能.超级碳纳米管是在碳纳米管结构基础上,将每一根碳-碳键替换为碳纳米管而形成的新型结构[13,14].Coluci等采用分子动力学方法研究了超级碳纳米管在单向拉伸下的力学性质,表明超级碳纳米管可用于开发新的多孔、柔性和高强度材料[15].Wang等采用有限元法研究了超级石墨烯的力学性能,结果表明超级石墨烯具有很强的柔韧性和优异的传力性能[16].Li等基于分子结构力学方法研究了超级碳纳米管的力学性能,发现超级碳纳米管的杨氏模量和剪切模量与碳纳米管的长径比有关,与超级碳纳米管的手性无关[17].Papanikos基于连续介质方法提出了等效梁理论,得到了扶手椅型和锯齿形碳纳米管等效梁参数与手性之间的关系[18].Liu等采用分子结构力学方法,研究了超级碳纳米管的变形和失稳问题,分析了参数对其力学性能的影响,结果表明分子结构力学方法结合碳-碳键失效准则是模拟不同手性、不同尺寸碳纳米管构成的X、Y节点变形和失稳的有效方法[19].Liu等利用分子结构力学方法研究了超级碳纳米管的轴向拉伸问题,给出了超级碳纳米管的杨氏模量和泊松比与超级碳纳米管管型及长度的关系[20].Fakhrabadi等利用分子结构力学方法分别研究了完美的和有缺陷的碳纳米管的屈曲,并将得到的结果输入自适应神经模糊推理系统,对碳纳米管的屈曲载荷进行预测,通过一些特殊情况的分析,验证了预测工具的性能和预测结果的准确性[21].Shi等通过对超级碳纳米管结构的分子动力学研究,发现其具有碳纳米管结构所不具备的超大泊松比、极大收缩性等新的性能;结果表明给定超级碳纳米管直径情况下,可以通过增加碳纳米管的长度和特定的手性提高超级碳纳米管的收缩性能[22].原子计算模拟需要庞大的计算量,为了克服这一缺点,Reith等发展了聚乙烯醇和聚丙烯酸的粗晶力场,并把模拟结果与实验数据进行比较,验证了粗晶力场的有效性[23].Zhao等发展了单壁碳纳米管的粗晶势,得到了碳纳米管的粗晶拉伸、弯曲和扭转势的显式表达式;研究了单根碳纳米管、平行碳纳米管和交叉碳纳米管的静态行为和动态行为[24].石墨烯是用来制作纳米器件的理想材料,因其质量轻、体积小且机械共振频率高,在谐振器领域有着广泛的应用前景,Wang和Hu研究了圆形石墨烯的热振动问题[25].Gu等采用一种基于梁单元的粗晶模型,研究了全边界固支的超级石墨烯网络的动力学行为,通过将粗晶模型与原分子结构力学模型固有频率进行比较,验证了此种粗晶法研究超级石墨烯网络动力学行为的有效性[26].
图2(b)所示的类超级碳纳米管是由超级碳纳米管改变尺度和力学参数而保留其微观结构而形成的宏观实体.考虑到在碳纳米管基础上,将每一根碳-碳键替换为碳纳米管这一过程的复杂性,借鉴石墨烯卷曲成碳纳米管的过程,构建类超级碳纳米管.图2(a)所示超级石墨烯是在石墨烯结构基础上,将每一根碳-碳键替换为碳纳米管而形成的新型结构.在分子建模软件中通过连接碳纳米管,构建超级石墨烯,然后提取超级石墨烯原子坐标点集,并将其卷曲为超级碳纳米管.为得到最佳构型,将得到的超级碳纳米管在分子动力学软件中采用能量最小化法进行优化.最后提取优化后的超级碳纳米管的原子坐标点集,将尺寸放大到毫米量级,将放大的坐标点集导入到实体三维建模软件,构建最终的类超级碳纳米管模型.类超级碳纳米管构形取决于构成此种结构的类碳纳米管的半径与长度以及自身结构的半径与长度,将由(6,0)型类碳纳米管构成的(3,3)型类超级碳纳米管记为ISCNT[3,3]@(6,0).
本文编号：3324812
【文章来源】：固体力学学报. 2020,41(04)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
ISCNT[4,4]@(6,6)及其粗粒化模型一阶固有
格栅结构包括二维格栅结构如图1(a)所示,以及三维格栅结构如图1(b)所示.鉴于二维六边形胞元结构与石墨烯结构有着一定的相似性,以及二维六边形胞元结构优秀的力学性能,有必要对三维六边形格栅结构进行分析.本文研究的三维六边形格栅结构与超级碳纳米管有相似的宏观结构.碳纳米管作为一维纳米材料,具有许多优越的力学和电学性能.超级碳纳米管是在碳纳米管结构基础上,将每一根碳-碳键替换为碳纳米管而形成的新型结构[13,14].Coluci等采用分子动力学方法研究了超级碳纳米管在单向拉伸下的力学性质,表明超级碳纳米管可用于开发新的多孔、柔性和高强度材料[15].Wang等采用有限元法研究了超级石墨烯的力学性能,结果表明超级石墨烯具有很强的柔韧性和优异的传力性能[16].Li等基于分子结构力学方法研究了超级碳纳米管的力学性能,发现超级碳纳米管的杨氏模量和剪切模量与碳纳米管的长径比有关,与超级碳纳米管的手性无关[17].Papanikos基于连续介质方法提出了等效梁理论,得到了扶手椅型和锯齿形碳纳米管等效梁参数与手性之间的关系[18].Liu等采用分子结构力学方法,研究了超级碳纳米管的变形和失稳问题,分析了参数对其力学性能的影响,结果表明分子结构力学方法结合碳-碳键失效准则是模拟不同手性、不同尺寸碳纳米管构成的X、Y节点变形和失稳的有效方法[19].Liu等利用分子结构力学方法研究了超级碳纳米管的轴向拉伸问题,给出了超级碳纳米管的杨氏模量和泊松比与超级碳纳米管管型及长度的关系[20].Fakhrabadi等利用分子结构力学方法分别研究了完美的和有缺陷的碳纳米管的屈曲,并将得到的结果输入自适应神经模糊推理系统,对碳纳米管的屈曲载荷进行预测,通过一些特殊情况的分析,验证了预测工具的性能和预测结果的准确性[21].Shi等通过对超级碳纳米管结构的分子动力学研究,发现其具有碳纳米管结构所不具备的超大泊松比、极大收缩性等新的性能;结果表明给定超级碳纳米管直径情况下,可以通过增加碳纳米管的长度和特定的手性提高超级碳纳米管的收缩性能[22].原子计算模拟需要庞大的计算量,为了克服这一缺点,Reith等发展了聚乙烯醇和聚丙烯酸的粗晶力场,并把模拟结果与实验数据进行比较,验证了粗晶力场的有效性[23].Zhao等发展了单壁碳纳米管的粗晶势,得到了碳纳米管的粗晶拉伸、弯曲和扭转势的显式表达式;研究了单根碳纳米管、平行碳纳米管和交叉碳纳米管的静态行为和动态行为[24].石墨烯是用来制作纳米器件的理想材料,因其质量轻、体积小且机械共振频率高,在谐振器领域有着广泛的应用前景,Wang和Hu研究了圆形石墨烯的热振动问题[25].Gu等采用一种基于梁单元的粗晶模型,研究了全边界固支的超级石墨烯网络的动力学行为,通过将粗晶模型与原分子结构力学模型固有频率进行比较,验证了此种粗晶法研究超级石墨烯网络动力学行为的有效性[26].
图2(b)所示的类超级碳纳米管是由超级碳纳米管改变尺度和力学参数而保留其微观结构而形成的宏观实体.考虑到在碳纳米管基础上,将每一根碳-碳键替换为碳纳米管这一过程的复杂性,借鉴石墨烯卷曲成碳纳米管的过程,构建类超级碳纳米管.图2(a)所示超级石墨烯是在石墨烯结构基础上,将每一根碳-碳键替换为碳纳米管而形成的新型结构.在分子建模软件中通过连接碳纳米管,构建超级石墨烯,然后提取超级石墨烯原子坐标点集,并将其卷曲为超级碳纳米管.为得到最佳构型,将得到的超级碳纳米管在分子动力学软件中采用能量最小化法进行优化.最后提取优化后的超级碳纳米管的原子坐标点集,将尺寸放大到毫米量级,将放大的坐标点集导入到实体三维建模软件,构建最终的类超级碳纳米管模型.类超级碳纳米管构形取决于构成此种结构的类碳纳米管的半径与长度以及自身结构的半径与长度,将由(6,0)型类碳纳米管构成的(3,3)型类超级碳纳米管记为ISCNT[3,3]@(6,0).
本文编号：3324812
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