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碳、硼氮纳米材料力学性能的原子有限元研究

作　者: 缪春洋
导　师: 郭万林
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 力学
关键词: 石墨片层氮化硼纳米管变截面梁有限元模型振动呼吸模态
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

各类具有非常广阔应用前景的纳米材料如雨后春笋般纷纷呈现在人们面前,构造出能准确预测这些纳米材料性能的理论模型成为众多科研工作者一直努力的方向。本文建立了石墨片和氮化硼纳米管的有限元模型,并对它们的力学振动性质进行了一系列的分析,文章主要内容包括以下两个方面:(1)拓展本研究组提出的碳纳米管的矩形梁-弹簧模型,构建了能较准确描述石墨片层中C-C键能变化及离面变形刚度的石墨片原子-有限元模型。利用该模型,我们对石墨片的振动特性做了较系统的分析。发现石墨片的边界条件、结构尺寸均会很大程度地影响其振动特性。多层石墨片的层数、层间距也会使垂直于面的固有振动模态发生改变,但对高阶的面内振动模态影响很小。(2)建立了一种新的适用于氮化硼纳米管的二元纳米管原子-有限元模型。该模型采用变截面梁来模拟具有极性的B-N键,不仅可以较准确地模拟B-N键的各种变形能,还能有效地区分氮化硼纳米管中硼原子和氮原子在变形时的差异。此外,该模型可以直接在标准商业有限元软件中实现。根据建立的氮化硼纳米管的原子-有限元模型,并利用特征值计算方法,计算了氮化硼纳米管的低频振动模态和径向呼吸模态。计算表明氮化硼纳米管的低阶固有频率比碳纳米管的低,并且氮化硼纳米管更容易在低阶出现弯曲模态。同时发现氮化硼纳米管的呼吸模态频率几乎只与管径有关,本文通过数值拟合得出它们之间的幂级数关系,借此可对氮化硼纳米管的呼吸模态进行准确预测。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-16
  1.1 纳米材料  12-13
  1.2 纳米力学  13-15
    1.2.1 纳米力学的定义  13-14
    1.2.2 纳米力学的主要研究方法  14-15
  1.3 本文关注的问题和论文的结构安排  15-16
第二章石墨片的建模与振动模态分析  16-34
  2.1 研究背景  16-17
  2.2 石墨片的建模  17-19
  2.3 石墨片的振动模态  19-33
    2.3.1 单层石墨片的振动模态  20-26
    2.3.2 多层石墨片的振动模态  26-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章氮化硼纳米管的建模  34-50
  3.1 研究背景  34-35
  3.2 单层氮化硼纳米管的建模  35-49
    3.2.1 变截面矩形梁模型  35-37
    3.2.2 氮化硼纳米管的有限元计算模型  37-46
    3.2.3 数值算例与讨论  46-49
  3.3 本章小结  49-50
第四章单壁氮化硼纳米管的振动模态  50-57
  4.1 单壁氮化硼纳米管的低阶振动模态  50-53
  4.2 单壁氮化硼纳米管的径向呼吸模态  53-55
  4.3 本章小结  55-57
第五章总结与展望  57-59
参考文献  59-64
致谢  64-65
在学期间的研究成果及发表的学术论文  65

碳、硼氮纳米材料力学性能的原子有限元研究

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