基于分子动力学的碳纳米管屈曲性能的研究

本文利用LAMMPS软件研究了扶手椅型单壁碳纳米管受轴向载荷压缩时的屈曲性能.通过对比分析完美碳纳米管与含S-W缺陷碳纳米管在受压时的力学性能,揭示出不同温度和S-W缺陷的不同分布方式对碳纳米管屈曲性能的影响规律.研究结果表明:碳纳米管的屈曲性能随着温度的升高而明显变差,这种影响在低温区尤为显著,碳纳米管的弹性模量受温度的影响很小;相同缺陷个数下,周向分布的S-W缺陷比轴向分布的S-W缺陷对碳纳米管屈曲性能的影响要大;在轴向方向上,均匀分布、集中分布和非均匀分布的S-W缺陷对碳纳米管的力学性能产生的影响类似,在周向方向上,集中分布对碳纳米管力学性能的影响比均匀分布的要大.     

单壁空位缺陷碳纳米管稳定性的分子动力学

采用分子动力学模拟研究了单壁空位缺陷碳纳米管的结构稳定性,结果表明,当空位缺陷低至6.25%时,碳纳米管比较稳定;当空位缺陷在6.25%~12.50%范围内,碳纳米管不稳定,出现局部熔化的现象;而空位缺陷大于16.67%时,碳纳米管会破裂蒸发而不再存在。研究还表明,碳纳米管中的空位缺陷对其结构有着极大的影响,而且少量的空位缺陷(10%左右)就可以使碳纳米管发生形变扭曲。在低于3 500 K时,空位缺陷对碳纳米管结构稳定性影响的主要因素是缺陷的多少,随着温度的变化并不显著。     

单壁碳纳米管的拉伸变形和结构相关性

利用分子动力学方法研究了单壁碳纳米管拉伸变形行为，发现（8，8）～（22，22）单臂型碳纳米管和（9，0）～（29，0）锯齿型碳纳米管能在拉伸应变分别达到35％～38％和20％～27％的情况下仍处于弹性变形阶段，并从能量的角度解释了这一现象．分析了单壁碳纳米管管径和结构螺旋性对碳纳米管力学性质的影响．结果表明，碳纳米管的微观结构特征对其基本力学性质有着重要的影响．碳纳米管的杨氏模量在750-960GPa之间，并随着其半径的增加而减少；微观结构的影响使得锯齿形碳纳米管的模量高于单臂型碳纳米管．模拟结果显示，碳纳米管在拉伸过程中的结构变化特征不同于连续介质力学所描述的弹塑性断裂或脆性断裂．     

缺陷对单壁碳纳米管电子结构调制的第一性原理计算

用密度泛函理论计算不同浓度点空位缺陷对扶手型和锯齿型碳纳米管电子结构的调制, 并对其键长、 缺陷形成能、 带隙及电子态密度进行分析. 结果表明： 随着缺陷浓度的增加, 邻近碳原子间化学键键长减小, 扶手型碳纳米管带隙打开, 由金属性质变为半导体性质, 锯齿型碳纳米管带隙逐渐变小; 碳原子缺失使缺陷附近未成键的悬键电子局域在Fermi能级附近形成额外的电子态而改变了碳纳米管的电子结构.     

碳纳米管力学性能的研究进展及应用

简述了碳纳米管的结构和种类,综述了碳纳米管力学性能的研究进展,讨论了研究中所应用的实验技术和计算方法,并对碳纳米管力学性能的应用做了介绍.     

单壁碳纳米管的制备和纯化研究

采用双金属Eu/Ni做为催化剂,用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管(single walled carbon nanotubes, SWNTs),并对其进行了纯化处理.利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对所得样品进行了表征.结果表明,以双金属Eu/Ni为催化剂与Y/Ni为催化剂合成的单壁碳纳米管直径分布相近,其中1.36 nm为直径的碳纳米管占多数.经纯化处理的单壁碳纳米管有较高的纯度.     

空位缺陷对单层石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对完美的和含空位缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,分别研究了单个单原子空位缺陷和单个双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响.研究结果表明,单原子空位缺陷和双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜的杨氏模量没有影响,但在一定程度上降低了拉伸强度和拉伸极限应变.单原子空位缺陷和双原子空位缺陷使拉伸强度降低幅度最高达8.10%和6.41%,并大幅度降低极限应变.缺陷对石墨烯的拉伸变形破坏机制也有一定的影响.在外载作用下,新的缺陷的萌生位置均出现在空位缺陷附近.     

碳纳米管扭转引起的力学耦合效应

利用经典分子动力学方法,计算分析了单壁碳纳米管、双壁碳纳米管的扭转力学行为,结果表明,相同口径的双壁碳管,在长度一致的情况下,其扭转刚度与碳管结构关联很小.以锯齿型管为外壁的双壁管扭转时的轴向力使碳管伸长,而以其他类型管为外壁的双壁碳管扭转时轴向力使碳管收缩.这些结果对相关纳米器件的设计有重要意义.     

单壁碳纳米管热稳定性的模拟研究

运用紧束缚近似分子动力学模型,模拟研究了各种单壁碳纳米管(SWCNTs)在300~4 000 K范围内的热稳定性.结果表明:手性碳管的热稳定性明显优于其它类型的碳管,半径相近的单臂管比锯齿管更稳定.在深入分析碳纳米管内碳键结构的基础上,进一步探讨了各种碳管的碳键从sp2向sp3转变的情况,利用键重构对碳管的热稳定性给出了理论解释;通过平均能量和温度的关系曲线分析,研究碳管热稳定性的变化.     

RU-NC组合短柱轴压受力性能研究

由配筋的超高性能混凝土（Reinforced Ultra-high Performance Concrete,RU）圆管与普通混凝土（Normal Concrete,NC）芯柱组成的RU-NC柱是一种新型组合结构. 为探讨RU-NC组合短柱轴压性能与承载力计算方法,以UHPC圆管壁厚、箍筋间距和钢纤维体积掺量为参数,开展了RU-NC组合短柱轴压试验,同时进行了由超高性能混凝土（U）圆管与普通钢筋混凝土（Reinforced Concrete,RC）芯柱组成的U-RC组合短柱对比试验. 在此基础上,基于ABAQUS软件建立有限元模型开展数值分析. 结果表明,RU-NC组合短柱轴压受力全过程分为弹性阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服阶段,RU圆管与螺旋箍筋均对核心混凝土具有一定约束作用,组合短柱破坏模式为RU圆管与核心混凝土被压溃、螺旋箍筋拉断;与U-RC组合短柱相比,将钢筋笼从核心混凝土移至UHPC圆管的RU-NC组合短柱具有更好的抗裂性能和延性以及更高的极限承载力;随着UHPC圆管壁厚和UHPC抗拉强度的增加,RU-NC组合短柱承载力大致呈线性增长趋势;随着箍筋间距的减小,承载力呈非线性增长趋势;采用现行规范与已有文献算法无法精确计算RU-NC组合短柱的极限承载力,基于RU圆管约束混凝土的理论分析,提出了RU-NC组合短柱轴压承载力算法,计算值与试验结果比值的均值为0.984,方差为0.005 3,精度较高,可为将来该新型组合结构的设计与应用打下基础.     

Stone-Wales缺陷对碳纳米管电学性能的影响

运用非平衡格林函数结合局域密度泛函理论,对含有Stone-Wales缺陷的(5,5)金属型单壁碳纳米管(SWCNT)的局域态密度和透射概率进行研究,计算结果表明stone-Wales缺陷导致部分电子态定域化.这些位于价带和导带的定域态对电子的散射作用十分明显.此外,(5,5)金属型SWCNT因管束效应而出现约0.1eV的赝隙,计算结果证明SWCNTs之间电势场的微扰作用是产生赝隙的主要原因,并导致透射系数发生突变.     

重离子辐照下石墨烯力学性能的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了不同剂量的碳离子辐照石墨烯产生损伤后对其拉伸力学性能的影响, 包括应力?应变曲线、杨氏模量以及拉伸强度等。入射离子能量为1 keV, 入射剂量分别为2.00×10¹³, 6.01×10¹³, 1.00×10¹⁴ and 2.00×10¹⁴cm^-2。结果表明, 离子辐照后产生了单空位缺陷、双空位缺陷及复杂缺陷等, 这些缺陷对石墨烯的力学性能产生了显著影响, 如剂量为2.00×10¹³cm^-2时, 石墨烯中只存在两个单空位缺陷, 但与完美石墨烯相比, 杨氏模量却从780.19 GPa减小到128.77 GPa, 拉伸强度也从161.81 GPa变为30.85 GPa, 并且缺陷个数越多, 力学性能越差。另外, 对辐照导致样品变形以及断裂的物理机制也进行了讨论。     

尺寸效应对GFRP管-混凝土-钢管组合柱轴压下力学性能影响的研究

FRP管-混凝土-钢管组合柱(简称DSTC),是一种新型组合结构形式,它由FRP外管、钢材内管以及两者之间填充的混凝土三部分组成,具有轻质高强耐腐蚀等特点.为了更深入研究DSTC的轴压力学性能,通过2组不同工况下的DSTC短柱轴压力学性能实验,对不同尺寸等工况下的DSTC进行了深入研究.根据实验结果可知,随着试件尺寸的增大,试件抵抗变形能力在减弱,尺寸效应对不同混凝土强度等级的DSTC力学性能的影响程度不同,具体表现为尺寸效应对高等级混凝土的影响要小于较低等级混凝土.     

爆炸载荷下结构响应的非耦合数值模拟方法研究

提出一种用于研究远场条件下爆炸冲击波毁伤规律的数值方法,即非耦合欧拉-拉格朗日算法。通过分析模型参数敏感性考察算法的适用性与计算精度。结果表明,载荷曲线的形状对于数值模拟中测点的位移-时间曲线起着重要作用,其中载荷应被认为是动态的而不是脉冲的。基于非耦合欧拉-拉格朗日算法的结构响应低于纯拉格朗日算法,其中结构柔性降低了压力负载并因此降低了结构响应。在模拟大流场爆炸问题中,非耦合欧拉-拉格朗日算法的计算精度优于纯拉格朗日算法。     

交通荷载作用下砂土力学性质的颗粒流模拟

采用二维颗粒流方法,建立隧道下卧层砂土的离散元数值试样．通过与室内试验的对比,标定了试样的细观参数,模拟了固结排水条件下砂土在循环等应力荷载作用下的剪切试验,分析了固结方式、平均应力、动应力水平等因素对其动力特性的影响,并从配位数和颗粒间接触力的空间分布和变化规律上对加载过程中的宏观动力特性做出了解释．模拟结果表明：应力-应变关系的非线性以及累积塑性应变与动应力水平正相关;动应力水平越高,剪胀效应越明显而高围压下剪胀效应则不明显;动应力幅值越大,砂土密实度越高,而平均应力越大,则密实度越低．     

圆柱壳在轴压冲击载荷下的非对称屈曲分析

研究了轴向时变冲击载荷作用下的圆柱壳非轴对称弹塑性动力屈曲问题．采用Ｋａｒｍａｎ－Ｄｏｎｎｅｌ运动方程,本构关系采用增量理论,借助增量数值计算方法求解运动方程．计算表明：初始屈曲发生时,圆柱壳的变形模态呈轴对称性形式,而屈曲发生到一定程度时,圆柱壳就会发生非对称性的变形,而且变形相当明显．     

Numerical Simulations on Geometrical Properties of Wall-attaching Transonic Jet

Effects of operating conditions and device＇ s geometrical sizes on geometrical properties of wall-attaching transonic jet between two parallel plat plates are numerically simulated. Conclusions are as follows ： 1 ） Upriver part of the wall-attaching jet＇s center streamline is in good accordance with parabola; 2） When both gas inlet pressure and outlet pressure as well as their ratio are not too high （ the outlet pressure is less than 10 MPa and the pressure ratio is less than 3 ）, the center streamlines of the wall-attaching jet with the same pressure ratio coincide with each other very well, and the deflection degree of the center streamline decreases with rise of the pressure ratio ; 3 ） The deflection degree of the jet＇ s center streamline decreases with either broadening of nozzle＇ s throat or rise of wall offset ; 4） With rise of the pressure ratio, attachment distance of the jet increases, but the increase rate descends ; 5 ） The attachment distance ascends with rise of either the nozzle＇ s throat or the wall offset.     

竖向和水平荷载共同作用下PHC管桩受力分析

考虑桩身摩阻力、桩身自重及土抗力的影响,从弹性桩的挠曲线微分方程出发,假定均匀地基土层中地基系数按m法线性增大,推导了在竖向和水平向荷载共同作用下基桩的内力和位移的幂级数解答.公式规律性强,意义明确,容易编制成程序来求解问题.通过计算桩身挠曲线、转角和弯矩,竖向荷载的作用能稍微提高管桩的水平承载性能.