碳納米管復(fù)合材料力學(xué)性能的多尺度仿真分析.pdf

1、碳納米管(CNT)高分子納米復(fù)合材料是一個(gè)具有廣闊應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域，這歸因于納米增強(qiáng)相的獨(dú)特性能。由于這類材料含有典型的多尺度結(jié)構(gòu)特征，傳統(tǒng)的有限元方法難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)它的力學(xué)行為與力學(xué)性質(zhì)，因此，發(fā)展有效的多尺度力學(xué)模型與算法是當(dāng)前該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，多尺度數(shù)值仿真技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于納米復(fù)合材料的性能預(yù)測(cè)與分析當(dāng)中，這既是對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)有益補(bǔ)充，也是對(duì)微納觀材料力學(xué)行為預(yù)測(cè)技術(shù)的拓展。要準(zhǔn)

2、確預(yù)測(cè)碳納米管高分子復(fù)合材料的力學(xué)行為及性質(zhì)，需要較清楚地了解這類材料的微納觀結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，開展多尺度建模和仿真策略的研究，以實(shí)現(xiàn)不同空間和時(shí)間尺度之間的無(wú)縫連接。本文基于這種思想，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)和宏觀有限元的數(shù)值仿真技術(shù)，通過多尺度數(shù)值方法來(lái)研究碳納米管/高分子復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)，為材料設(shè)計(jì)與加工提供數(shù)據(jù)參考。
　　1.借助分子模擬與材料設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件MATERIALS STUDIO構(gòu)建單壁碳納米管(SWNT)/

3、環(huán)氧樹脂(EPOXY)復(fù)合材料模型，并對(duì)其進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，得到原子結(jié)構(gòu)信息。利用能量等效原理，并借助ANSYS中的APDL語(yǔ)言將離散的原子結(jié)構(gòu)處理成連續(xù)的有限元結(jié)構(gòu)，即代表體積單元(RVE)。最后將RVE等效成為一個(gè)等效纖維（RF），通過應(yīng)變能相等，得到RF的彈性模量，發(fā)現(xiàn)該結(jié)果和Wernik等人模擬的結(jié)果相近，所以證明了這種方法是可行的。
　　2.利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件LAMMPS對(duì)單壁碳納米管/聚乙烯(polyethyle

4、ne，簡(jiǎn)稱PE)復(fù)合材料進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，得到納觀下的原子結(jié)構(gòu)信息。同樣采用原子基連續(xù)的方法(ABC)和APDL語(yǔ)言，將RVE等效成一根纖維，并得到RF的C11，EL，GT，GL，KT的值。
　　3.利用DIGIMAT軟件建立了碳納米管等效纖維隨機(jī)分布的PE納米復(fù)合材料的等效力學(xué)模型。分別采用細(xì)觀力學(xué)有限元方法和MORI-TANAKA方法計(jì)算分析了碳納米管體積含量為0.1％、0.2％和0.3％時(shí)，碳納米管/聚乙烯復(fù)合材料