碳纳米管复合材料力学性能的多尺度仿真分析

发布时间：2017-10-02 19:33

  本文关键词：碳纳米管复合材料力学性能的多尺度仿真分析

  更多相关文章： 分子动力学 原子基连续方法 跨尺度方法 Mori-Tanaka方法 细观力学有限元方法

【摘要】：碳纳米管(CNT)高分子纳米复合材料是一个具有广阔应用前景的研究领域,这归因于纳米增强相的独特性能。由于这类材料含有典型的多尺度结构特征,传统的有限元方法难以准确预测它的力学行为与力学性质,因此,发展有效的多尺度力学模型与算法是当前该领域的一个研究热点。随着计算机软硬件技术的快速发展,多尺度数值仿真技术已经逐步应用于纳米复合材料的性能预测与分析当中,这既是对实验研究的一个有益补充,也是对微纳观材料力学行为预测技术的拓展。要准确预测碳纳米管高分子复合材料的力学行为及性质,需要较清楚地了解这类材料的微纳观结构,并在此基础上,开展多尺度建模和仿真策略的研究,以实现不同空间和时间尺度之间的无缝连接。本文基于这种思想,结合分子动力学、细观力学和宏观有限元的数值仿真技术,通过多尺度数值方法来研究碳纳米管／高分子复合材料的力学性质,为材料设计与加工提供数据参考。1.借助分子模拟与材料设计的计算软件MATERIALS STUDIO构建单壁碳纳米管(SWNT)／环氧树脂(EPOXY)复合材料模型,并对其进行分子动力学模拟,得到原子结构信息。利用能量等效原理,并借助ANSYS中的APDL语言将离散的原子结构处理成连续的有限元结构,即代表体积单元(RVE)。最后将RVE等效成为一个等效纤维(RF),通过应变能相等,得到RF的弹性模量,发现该结果和Wernik等人模拟的结果相近,所以证明了这种方法是可行的。2.利用分子动力学计算软件LAMMPS对单壁碳纳米管/聚乙烯(polyethylene,简称PE)复合材料进行分子动力学(MD)模拟,得到纳观下的原子结构信息。同样采用原子基连续的方法(ABC)和APDL语言,将RVE等效成一根纤维,并得到RF的C11,EL,GT,GT,KT的值。3.利用DIGIMAT软件建立了碳纳米管等效纤维随机分布的PE纳米复合材料的等效力学模型。分别采用细观力学有限元方法和MORI-TAN AKA方法计算分析了碳纳米管体积含量为0.1%、0.2%和0.3%时,碳纳米管／聚乙烯复合材料的力学性质,结果表明,有限元计算的结果与MORI-TANAKA方法计算的结果接近,但是小于MORI-TANAKA方法计算的结果,这是由于MORI-TANAKA方法存在理想假设,而细观力学有限元模拟并未考虑理想假设。
【关键词】：分子动力学 原子基连续方法 跨尺度方法 Mori-Tanaka方法 细观力学有限元方法
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 课题背景和意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 多尺度方法研究进展11-12
• 1.2.2 碳纳米管/高分子材料的分子动力学模拟进展12-14
• 1.2.3 碳纳米管/高分子复合材料的连续模拟进展14-15
• 1.2.4 复合材料细观力学模拟进展15-17
• 1.3 本文的主要工作17-18
• 2 理论及计算方法18-36
• 2.1 分子动力学简单理论18-24
• 2.1.1 牛顿方程18-19
• 2.1.2 分子力场19-21
• 2.1.3 周期性边界条件和截断半径21-22
• 2.1.4 系综简介22-24
• 2.2 原子基连续方法24-31
• 2.3 细观力学模型31-36
• 2.3.1 细观力学概念31-33
• 2.3.2 MORI-TANAKA等效夹杂方法33-34
• 2.3.3 细观力学有限元方法34-36
• 3 碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料的等效纤维力学性质研究36-46
• 3.1 CNT/EPOXY纳米复合材料的分子动力学模拟36-37
• 3.2 CNT/EPOXY纳米复合材料的原子基连续方法37-41
• 3.2.1 碳纳米管的连续模拟37-38
• 3.2.2 周围高聚物及中间相的连续模拟38-41
• 3.3 碳纳米管/环氧树脂复合材料的等效纤维力学参数41-46
• 4 碳纳米管/聚乙烯复合材料的等效纤维力学性质研究46-54
• 4.1 CNT/PE纳米复合材料的分子动力学模拟46-48
• 4.2 CNT/PE纳米复合材料的的原子基连续方法48-54
• 4.2.1 聚乙烯基体及其中间相的连续模拟48-50
• 4.2.2 边界条件及等效纤维模拟50-54
• 5 碳纳米管/聚乙烯复合材料细观力学模型计算分析54-61
• 5.1 MORI-TANAKA理论计算分析54-56
• 5.2 细观力学有限元计算分析56-61
• 结论61-63
• 参考文献63-69
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况69-70
• 致谢70-71

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本文编号：961469