石墨烯有限元模型及其動(dòng)態(tài)斷裂.pdf

1、石墨烯因其新奇的二維物質(zhì)維度和六角晶體結(jié)構(gòu)特性,掀起了力學(xué)等領(lǐng)域?qū)W者們的研究熱潮。隨著石墨烯在復(fù)合材料強(qiáng)韌化、人工肌肉等智能材料中的逐漸應(yīng)用,動(dòng)態(tài)載荷下其斷裂等力學(xué)性能日益引起研究人員的關(guān)注。同時(shí)工業(yè)中制備的石墨烯中往往存在結(jié)構(gòu)缺陷,在研究、實(shí)際應(yīng)用中石墨烯將會(huì)產(chǎn)生斷裂破壞行為。因而,掌握石墨烯的斷裂特征尤其是動(dòng)態(tài)斷裂特征,抑制和控制石墨烯材料應(yīng)用過(guò)程中裂紋擴(kuò)展的問(wèn)題,尤為重要。
　　目前,已有不少學(xué)者提出脆性材料的動(dòng)態(tài)斷裂理論,

2、但很少用于描述真實(shí)二維材料的動(dòng)態(tài)斷裂,因而選用二維石墨烯原子晶體來(lái)檢驗(yàn)已有的動(dòng)態(tài)斷裂理論。另一方面,基于分子力學(xué)方法的大規(guī)模納米材料力學(xué)行為模擬規(guī)模有限,而基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元近似模型數(shù)值模擬可克服這一限制。
　　本文基于Li和Chou的分子結(jié)構(gòu)力學(xué)法,建立了考慮大變形和非線性作用的石墨烯有限元斷裂模型,開(kāi)展了不同I型位移載荷速率下石墨烯Zigzag型裂紋動(dòng)態(tài)脆性斷裂研究。
　　首先,將C-C鍵等效成考慮剪切作用的Tim

3、oshenko梁,根據(jù)Tersoff-Brenner原子間作用勢(shì)推導(dǎo)出了梁材料的非線性本構(gòu)關(guān)系,采用了子程序VUMAT自定義非線性本構(gòu)關(guān)系,同時(shí)確定了等效梁的斷裂判據(jù)。利用有限元軟件Abaqus,用C-C鍵等效Timoshenko梁構(gòu)建石墨烯FE模型,計(jì)算出的楊氏模量以及泊松比與已有文獻(xiàn)的結(jié)果符合較好。
　　其次,建立了含初始裂紋的石墨烯條帶模型,在邊界對(duì)模型施加均勻 I型位移載荷,進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算分析,實(shí)現(xiàn)了石墨烯在不同加載應(yīng)變率