单壁碳纳米管的扭转力学特性研究

利用基于高阶Cauchy-Born准则所建立的单壁碳纳米管本构模型,针对不同手性的单壁碳纳米管的扭转力学特性进行了研究.研究发现结构呈现对称性的锯齿型和扶手型单壁碳纳米管具有完全对称的扭转特性,而结构不对称的手性型单壁碳纳米管具有正反相异的扭转特性.同时,针对一系列手性不同的单壁碳纳米管的扭转力学特性展开了详细的研究.研究的部分结果与采用其他方法得到的结果进行了对比,证实了所提出方法以及预测结果的有效性和可行性.     

自旋张量的绝对表示及其在有限变形理论中的应用

基于对一类线性张量方程的一般解法,导出了任一对称张量所对应的自旋张量的绝对表示。该结果可以很自然地用于研究左和右伸长张量的自旋并研讨在连续介质力学中常见到的各种转动率张量间的关系。一个重要的公式,即Hill意义下广义应变的共轭应力和Cauchy应力之间的关系,从功共轭原理建立了起来。尤其是详细讨论了对数应变的时间变率及相应的共轭应力。无疑,上述结果对有限变形条件下本构理论的研究是颇为重要的。     

基于2nd P-K应力率的颗粒材料亚塑性模型

亚塑性理论为建立颗粒材料本构模型提供了一种新的框架,在此框架内讨论了Gudenhus-Bauer模型的模量矩阵不对称性,并阐述了直接以Cauchy应力Jaumann速率建立本构关系时以及由此所建议的Gudenhus-Bauer模型中所存在的问题.为此基于Gudenhus-Bauer模型的张量函数,应用2nd P-K应力率与Green应变率建议了一个新的颗粒材料亚塑性模型,该模型可与经典关联与非关联流动理论相对应.此外还简单介绍了如何依据基于2nd P-K应力率的本构模量获得以Cauchy应力Jaumann速率及变形率表示的亚塑性模型.数值算例表明所建议模型具有模拟颗粒材料应变局部变形特征的良好性能.     

考虑微缺陷形状的细片层状珠光体钢的损伤本构模型

基于非经典塑性理论和连续介质损伤力学,利用在一个特殊坐标系下基于椭球形孔洞模型得到的可考虑孔洞形状变化混合强化材料的损伤演化率得到了铁素体相的损伤本构方程,通过混合物理论利用铁素体和渗碳体相各自本构关系并考虑其几何特征得到了珠光体团的损伤本构模型。进而采用Hill自洽方法,得到了珠光体材料的宏观损伤本构描述,发展了相应的数值方法与程序。讨论了孔洞形状对材料损伤的影响,并对典型珠光体双相材料BS11在非对称循环加载史下的弹塑性响应特性进行了分析,得到了与实验较为一致的结果。     

粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的等效阻尼

利用积分型本构关系,建立了带支撑的一般粘滞和粘弹性阻尼器单自由度耗能结构的微分-积分混合地震响应方程;基于与随机平均分析完全相同的等效准则,推导了可直接应用反应谱的阻尼器的等效刚度和等效阻尼的解析公式;得到了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器的等效刚度和等效阻尼的一般结果。通过与一些典型问题的数值计算结果比较,表明了所提方法的有效性。     

各向异性本构关系在板料成形数值模拟中的应用

对几种能表达面内各向异性的屈服准则Hill、Barlat-Lian、Barlat进行了比较。以弹性变形服从各向同性广义虎克定律的情况下，给出了基于张量算法推导的弹塑性本构关系的一般表达式，并由此导出了相应屈服准则的弹塑性本构关系的显式表达。借助ABAQUS软件本构模块用户子程序接口，分别实现了这些屈服准则在ABAQUS的嵌入。以模拟方形盒的拉延过程为例，分析了不同的屈服准则在板料成形过程数值模拟中的应用。模拟结果表明，基于弹塑性本构关系一般表达所列出的相应屈服准则的显式表达式是正确的；在采用壳元来模拟板料成形时，采用Barlat准则的模拟结果和采用Barlat-Lian准则的结果差别不大。     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

广义双剪粘弹塑性本构模型在渤海海冰动力学中的应用

在连续介质力学基础上建立了一个广义双剪粘弹塑性海冰动力学本构模型。该模型在海冰屈服前采用Kelvin-Vogit粘弹性模型,考虑中间主应力和静水压力对海冰屈服的影响选用广义双剪应力屈服准则作为海冰屈服判据,屈服后采用相关联的正则流动法则。采用该本构模型对渤海海冰动力过程进行了48小时数值模拟,讨论了辽东湾海冰的厚度、密集度、冰速和主应力的分布规律,其中海冰厚度分布与卫星遥感资料符合良好,从而有效地验证了该广义双剪粘弹塑性本构模型在海冰动力学中的可靠性。     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识.波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行.本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型.在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动.基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系.结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量.应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.     

单壁碳纳米管屈曲的原子/连续介质混合模型

用数学和力学研究所，上海 200072)//力学学报.--2004,36(6).--744～748 提供了一种运用原子/连续介质混合(hybrid atomic/continuum,HAC)方法解决纳米力学问题的思路. 通过在连续介质力学模型中引入利用分子力学方法获得物性参数，建立了预测单壁碳纳米管临界屈曲参数的HAC模型. 结果表明, HAC模型具有与连续介质力学模型可比拟的简洁性, 同时可表征纳米管微观结构特征对屈曲参数的影响. 计算结果表明，Zigzag纳米管的抗屈曲性能优于Armchair纳米管. 基于Tersoff-Brenner作用势的分子动力学结果证实了这一结论.     

Predicting the elastic properties of single-walled carbon nanotubes

Advances in the prediction of the mechanical properties of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) are reviewed in this paper. Based on the classical Cauchy-Born rule, a new computational method for the prediction of Young's modulus of SWNTs is investigated. Compared with the existing approaches, the developed method circumvents the difficulties of high computational efforts by taking into consideration of the microstructure of nanotube and the atomic potential of hydrocarbons. Numerical results of Young's modulus and its variation with respect to the deformation gradient tensor are given and discussed. The results obtained are in good agreement with those obtained by laboratory experiments and other numerical methods.     

SIZE EFFECTS OF ELASTIC MODULUS OF FCC METALS BASED ON THE CAUCHY-BORN RULE AND NANOPLATE MODELS

In the present research, a simple quasi-continuum model, the Cauchy-Born rule model, is used to investigate the size effects of elastic modulus for fcc metals. By considering a nanoplate model and calculating the strain energy for the nano-sized plate under tension and bending, the relationship between the elastic modulus and the plate thickness is found. Size effects of the elastic modulus are displayed by the relative differences of the elastic modulus between the nano-sized plate sample and the bulk sample. By comparing the present results with those of others, the effectiveness of the Cauchy-Born rule model in studying the size effects of material properties are shown.     

Atomistic–continuum coupled model for nonlinear analysis of single layer graphene sheets

In this paper, atomistic–continuum coupled model for nonlinear flexural response of single layer graphene sheet is presented considering von-Karman geometric nonlinearity and material nonlinearity due to atomic interactions. The strain energy density function at continuum level is established by coupling the deformation at continuum level to that of at atomic level through Cauchy–Born rule. Strain and curvature dependent tangent in-plane extensional, bending–extension coupling, bending stiffness matrices are derived from strain energy density function constructed through Tersoff–Brenner potential. The finite element method is used to discretize the graphene sheet at continuum level and nonlinear bending response with and without material nonlinearity is studied. The present results are also compared with Kirchhoff plate model and significant differences at higher load are observed. The effects of other parameters like number of atoms in the graphene sheet, boundary conditions on the central/maximum deflection of graphene sheet are investigated. It is also brought out that the occurrence of bond length exceeding cutoff distance initiates at corners for CFCC, CFCF, SFSS, SFSF graphene sheets and near center for SSSS and CCCC graphene sheets.     

On the continuum modeling of carbon nanotubes

We have recently proposed a nanoscale continuum theory for carbon nanotubes. The theory links continuum analysis with atomistic modeling by incorporating interatomic potentials and atomic structures of carbon nanotubes directly into the constitutive law. Here we address two main issues involved in setting up the nanoscale continuum theory for carbon nanotubes, namely the multi-body interatomic potentials and the lack of centrosymmetry in the nanotube structure. We explain the key ideas behind these issues in establishing a nanoscale continuum theory in terms of interatomic potentials and atomic structures.     

基于初应力法的作大范围运动柔性梁动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动柔性梁的建模理论.根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性梁刚-柔耦合动力学方程.从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程.通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程.对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项.并对此非惯性系下作大范围运动柔性梁的结构动力学方程进行数值仿真,对零次近似模型、一次近似模型、初应力法动力学模型的仿真结果进行分析,揭示三种模型的动力学性质的差异.     

构元组集模型对结构弹性损伤至断裂过程的描述及与内聚区模型的比较

结构的响应实质上是材料的响应,宏观结构损伤至断裂的发展过程也是材料性质不断演化的结果。构元组集模型从材料的微观物理变形机制出发,基于对泛函势理论和Cauchy-Born准则,抽象出两种构元——弹簧束构元和体积构元。在微观层次上,结构损伤和断裂的实质都是原子间键合力减弱和丧失的结果,而弹簧束构元是同一方向上的原子键的抽象,因此损伤可以通过弹簧束构元的响应曲线来反映。组集两种构元的响应,建立了材料的弹性损伤本构关系,从而能一致描述材料从弹性到损伤、破坏的发展过程。将构元组集模型的本构关系嵌入ABAQUS的用户材料单元子程序UMAT,实现对结构响应的数值模拟。本文模拟了包含中心预制裂纹三点弯曲梁的裂纹扩展过程,并与内聚区模型比较,给出了内聚区模型所假设的应力——位移关系曲线,并从材料损伤演化的角度对材料裂纹扩展过程做出了物理解释。     

基于CA的结构拓扑优化中变量更新规则研究

针对连续体结构拓扑优化中数值不稳定问题,借鉴控制系统中反馈控制和误差放大器的原理,构建了一种无梯度约束的变量更新规则,以结构应变能密度均匀分布为优化目标,建立了基于元胞自动机的拓扑优化模型,进行了二维连续体结构的拓扑优化设计,得到材料在设计域内的最优分布。通过求解三个经典的算例,探讨了不同的误差放大系数对优化结果的影响,试验结果表明,该更新规则能够有效地抑制棋盘格和网格依赖性问题。