非公度双壁碳纳米管的层间摩擦

由于层间距和手性的耦合影响,非公度双壁碳纳米管的层间摩擦行为比较复杂,其规律至今仍不清楚.论文采用分子动力学模拟方法,研究了非公度双壁碳纳米管的层间摩擦特性.总体来说,层间距较小或层间手性角差较小时,层间摩擦力较大.当层间手性角差在10°以上时,层间接触接近非公度接触,层间摩擦力几乎不受层间手性影响;此时在层间平衡位置附近(0.34±0.02 nm),层间摩擦力与层间距之间近似呈线性关系.无论层间手性如何匹配,边界原子所受摩擦力总是大于内部原子所受摩擦力,显示边界效应是纳尺度摩擦中的一个普遍现象.     

碳纳米管在简单荷载作用下的变形屈曲行为研究

采用分子动力学方法研究了不同螺旋性的单壁碳纳米管在轴压、扭转和外压分别作用下的变形屈曲行为。针对每种加载形式，给出了宏观形式的内力一变形曲线来反映碳原子间相互作用力的变化与碳管变形量之间的关系。对碳管在这三种不同荷载作用下的失稳特性、微观结构和应变能的变化进行了详细的分析。结合经典弹性理论和本文的模拟结果，得出了单壁碳纳米管的等效壁厚、弹性模量和Poisson比。另外，通过对比不同螺旋性碳管的模拟结果，讨论了螺旋性对碳纳米管力学行为的影响。文中采用的势能函数为Brenner多体势。     

缺陷对石墨烯摩擦性能影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟硅探针在空位缺陷和Stone-Wales(SW)缺陷石墨烯上的滑移过程,研究空位缺陷和SW缺陷对石墨烯摩擦力的影响.研究结果表明:两种缺陷石墨烯摩擦力大于完美石墨烯,空位缺陷使石墨烯界面势垒增大导致能量耗散增加,摩擦力增大;SW缺陷使石墨烯表面形成凸起,阻碍探针滑移,摩擦力增大.空位缺陷石墨烯平均摩擦力随缺陷浓度的增加而增加,Y向空位缺陷石墨烯平均摩擦力大于X向,这都是由空位陷处能量势垒和缺陷与探针切向作用距离共同决定的.SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于SW1型,X向SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于Y向SW2型,因为存在相邻五边形碳原子环结构的石墨烯表面更容易产生凸起,摩擦力较大.以上研究结果完善了缺陷石墨烯的摩擦机制,对设计和开发石墨烯微纳器件提够了理论依据和指导.     

碳纳米管在水中的运动阻力特性

采用分子动力学(MD)方法,模拟了(5,5),(7,7),(10,10)以及(5,5)/(10,10)碳纳米管在水中的速度衰减过程,得到了它们的阻力-速度与阻力-雷诺(Re)数关系曲线,进而将MD模拟的阻力结果与低Re数宏观流体力学(MFD)中圆柱绕流的阻力解进行了对比。研究表明,低Re数下,碳纳米管在水中的阻力要比传统MFD中圆柱绕流的阻力解高数十倍。碳纳米管在水中的阻力可通过圆柱的MFD解乘以(48.58-0.54Re)近似估算。     

碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了公度、不公度2种情况下碳纳米管在石墨基底上运动的摩擦机制与能量耗散,计算中先使碳纳米管在石墨基底上弛豫平衡,而后施加持续500 fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止.结果表明:在公度条件下,碳纳米管先在石墨基底上滑动,动能降低到一定值后出现翻转、滚动、滑动交替进行的现象.所受侧向力(即摩擦力)在滑动阶段呈现周期性变化,在开始滚动时摩擦力达到负向最大;在不公度条件下,碳纳米管在石墨基底上一直处于滑动状态,侧向力始终为负值;在公度情况下,侧向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子与石墨基底原子间的法向趋近与分离引起,并由此而产生摩擦;碳纳米管与石墨基底原子间的相互作用为斥力-碰撞型,黏性摩擦造成了能量耗散.     

碳纳米管表面金纳米线的结构与热稳定性分析

用分子动力学方法研究了覆盖在碳纳米管表面的金原子所形成的结构及其热稳定性. 研究结果表明,金原子在碳纳米管表面能形成多样而稳定的结构：当金原子覆盖率低于15.91% 时,形成金纳米颗粒; 当原子覆盖率为15.91%~104.98% 时,形成一系列的壳层结构; 而当原子覆盖率大于104.98% 时,则呈现晶体金的面心立方结构. 在对有碳纳米管支撑的金纳米壳层结构的热稳定性进行研究后, 发现其熔点高于金纳米颗粒的熔点而且低于金纳米线的熔点.     

冲击扭矩作用下碳纳米管动力屈曲的研究

为了研究碳纳米管在冲击扭矩作用下的动力屈曲,采用了连续模型将碳纳米管模拟成半无限长的弹性连续圆柱壳。将冲击扭矩作用下碳纳米管的动力屈曲问题归结为由于扭转应力波传播导致的分叉问题,此分叉问题被化为一个非线性方程组的求解。最后进行了数值分析,讨论了碳纳米管的不同参数对动力屈曲的影响,发现碳纳米管有极强的抗冲击性,临界屈曲剪应力可高达几百吉帕。     

温度场作用下悬臂输流碳纳米管的颤振失稳分析

以非局部弹性理论为基础,采用欧拉-伯努利梁模型,考虑碳纳米管的小尺度效应,应用哈密顿原理获得了温度场作用下的悬臂输流单层碳纳米管(SWCNT)的振动控制方程以及边界条件,依靠微分变换法(DTM法)对此高阶偏微分方程进行求解,通过数值计算研究了温度场中悬臂单层输流碳纳米管的振动与颤振失稳问题.结果表明:管内流体流速、温度场中温度变化情况与小尺度参数都会对系统振动频率以及颤振失稳临界流速产生影响.其中,小尺度效应将会降低悬臂输流系统的稳定性,使系统更为柔软;而高温场与低温场对系统动态失稳的影响不同,低温场中随温度变化值的增加,系统的稳定性提高;高温场这一作用效果恰好与之相反.     

应力波与缺陷相互作用的宏观微观数值模拟

分别利用LS-DYNA3D有限元程序以及分子动力学方法,从宏观与微观两个层次模拟在动态拉伸载荷作用下含有预置缺陷的薄板中的塑性区形成与演化过程,以及随之而来的动态失效行为。计算结果表明,动态加载下塑性区的形成是应力波与缺陷相互作用以及应力波与应力波相互作用的结果。宏观尺度的LS-DYNA模拟与微观尺度的分子动力学模拟展现出相似的物理特征,即动态载荷下裂纹将萌生在缺陷边缘的前端,然后与缺陷边界连接,最终导致整体破坏。

     

含缺陷半无限长梁在阶跃载荷作用下的塑性动力特性及失效分析

分析了在任意位置含一缺陷的半无限长梁在自由端受阶跃载荷作用下的刚塑性动力响应,重点讨论了结构响应模式和缺陷处的能量耗散,给出了不同载荷大小和缺陷参数组合下的完全解,所得结果对确定管道结构的动态失效准则有参考价值.     

集中力作用下铝合金材料内部柱状缺陷检测的研究

工程中,构件的内部会因为各种原因不可避免地存在各种损伤或缺陷。本文通过弹性力学理论给出含柱状缺陷的铝合金材料在受到集中力作用下的离面位移场。同时运用电子散斑干涉方法成功地测量出试件缺陷覆盖层在受到集中力情况下的离面位移。理论和实验结果对比表明,利用电子散斑干涉术技术能够精确地测量含缺陷材料表面的离面位移。此实验方法可以作为一种新型的探测物体内部缺陷所处的位置和大小的评估办法。     

温度场作用下输流悬臂碳纳米管的颤振失稳分析

以非局部弹性理论为基础,采用欧拉-伯努利梁模型,考虑碳纳米管的小尺度效应,应用哈密顿原理获得了温度场作用下的输流悬臂单层碳纳米管（SWCNT）的振动控制方程以及边界条件,依靠微分变换法（DTM法）对此高阶偏微分方程进行求解,通过数值计算研究了温度场中悬臂单层输流碳纳米管的振动与颤振失稳问题。结果表明：管内流体流速、温度场中温度变化情况与小尺度参数都会对系统振动频率以及颤振失稳临界流速产生影响。其中,小尺度效应将会降低悬臂输流系统的稳定性,使系统更为柔软;而高温场与低温场对系统动态失稳的影响不同,低温场中随温度变化值的增加,系统的稳定性提高;高温场这一作用效果恰好与之相反。     

多场作用下输流单层碳纳米管的动力学特性

以非局部弹性理论为基础,采用欧拉-伯努利梁模型,考虑管型区域内滑移边界条件以及碳纳米管的小尺度效应,应用哈密顿原理获得了温度场与轴向磁场共同作用下的输流单层固支碳纳米管（SWCNT）的振动控制方程以及边界条件,依靠微分变换法（DTM法）对此高阶偏微分方程进行求解,通过数值计算研究了多场中单层固支输流碳纳米管的振动与失稳问题。结果表明：温度场、轴向磁场强度、Knudsen数及小尺度参数都会对系统振动频率以及失稳临界流速产生影响。     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

激光激发表面波与亚表面缺陷作用的理论研究

为了研究激光激发表面波与亚表面缺陷的作用机理,实现激光超声技术对该类型缺陷的定量检测,论文基于激光超声热弹机制,采用有限元方法模拟了激光激发表面波与亚表面矩形缺陷之间的相互作用,进而探讨缺陷的埋藏深度及其纵向尺寸对表面波的影响。首先模拟了激光激发表面波与矩形缺陷前沿（波与缺陷最先作用的纵向边沿）的相互作用,分析了埋藏深度对波形的影响,提取了缺陷作用的散射回波特征并分析其成因。然后对一定的缺陷埋藏深度,通过改变缺陷纵向尺寸,计算和分析了纵向尺寸对散射回波特征的影响。研究结果表明,散射回波的特征点到达时间与缺陷的埋藏深度和纵向尺寸有关,可能由此实现其反问题缺陷纵向尺寸的估算。     

悬臂输流管道在基础激励与脉动内流联合作用下的参激振动

首先建立了悬臂输流管道在基础激励与脉动内流联合作用下的运动方程;然后基于Galerkin法研究了该系统的非线性动力学行为,分析了系统运动状态随激励频率和相位差的变化,以及混沌百分比随频率比(基础激励频率与脉动频率之比)和相位差的变化。结果表明,无论以激励频率还是以相位差为分岔参数,系统都具有多种形式的动态响应,包括周期运动、概周期运动和混沌运动,但进入和脱离混沌的途径不同。相位差和频率比对系统的混沌百分比有重要影响:相位差为π/2时系统混沌百分比最大;频率比为1时系统混沌百分比最小,频率比较小或较大时系统混沌百分比与只有基础激励时接近。     

时变张力作用下轴向运动梁的分岔与混沌

轴向运动结构的横向参激振动一直是非线性动力学领域的研究热点之一. 目前研究较多的是轴向速度摄动的动力学模型,参数激励由速度的简谐波动产生. 但在工程应用中,存在轴向张力波动的运动结构较为广泛,而针对轴向张力摄动的模型研究较少. 本文研究了时变张力作用下轴向变速运动黏弹性梁的分岔与混沌. 考虑随着时间周期性变化的轴向张力,计入线性黏性阻尼,采用Kelvin模型的黏弹性本构关系,给出了梁横向非线性 振动的积分--偏微分控制方程. 首先应用四阶Galerkin截断方法将控制方程离散化,然后采用四阶Runge-Kutta方法计算系统的数值解,进而确定其动力学行为. 基于梁中点的横向位移和速度的数值结果,仿真了梁沿平均轴速、张力摄动幅值、张力摄动频率以及黏弹性系数变化的倍周期分岔与混 沌运动,并且通过计算系统的最大李雅普诺夫指数来识别其混沌行为. 结果表明:较小的平均轴速有助于梁的周期运动,梁在临界速度附近容易发生倍周期分岔与混沌行为. 随着张力摄动幅值的增大,梁的振动幅值的混沌区间不断增大. 较小的黏弹性系数和张力摄动频率更容易使梁发生混沌运动. 最后,给出时程图、频谱图、相图以及Poincaré 映射图来确定梁的混沌运动.      

拉扭耦合作用下柱形纤维与基底的界面黏附性能研究

受壁虎刚毛可逆黏附性能的启发,本文建立了单根弹性圆柱纤维与刚性基底黏附接触的理论和数值模型,同时考虑了拉伸和扭转载荷的耦合作用及纤维半径对界面黏附性能的影响.研究发现耦合载荷作用下柱形纤维同样存在一个临界半径,当纤维半径小于该临界尺寸时,界面应力达到均匀的理论强度分布,接触边界应力集中消失,出现缺陷不敏感现象;当纤维半径大于该临界尺寸时,界面以裂纹扩展而失效.在耦合载荷作用下纤维的临界半径小于纯拉伸而大于纯扭转时的临界尺寸,且该临界半径随着施加扭转载荷的增大而减小.表明在纯拉伸载荷下使界面黏附强度达到最优的柱形纤维,在拉伸和扭转载荷耦合作用下,由于界面失效形式的转变使界面易发生脱黏,并且界面脱黏时的拉脱力随着扭转载荷的增大而减小,理论和数值结果一致.本文结果进一步应用揭示了壁虎可以通过调控施加在其最小黏附单元上的载荷形式实现纯拉伸载荷下强黏附及耦合载荷下易脱黏的力学机制.     

机械荷载与热荷载共同作用下变厚度梁的热弹性力学解

本文研究了两端简支变厚度梁受机械荷载与热荷载共同作用下的热弹性力学解.温度场用调和级数展开,通过求解热传导方程可首先确定温度沿梁厚度方向的非线性分布情况.从二维热弹性力学理论的基本方程出发,导出满足控制微分方程和两端简支边界条件的位移函数的一般解,对上下表面的边界方程作傅立叶正弦级数展开确定待定系数,数值结果与商业有限元软件ANSYS进行了比较,显示出很高的精度.本文方法可直接应用于对应力和位移分析要求较高的工程问题,如航空航天和微型机械的设计.     

围压与径向荷载共同作用下巴西盘裂纹应力强度因子的解析解

利用权函数法推导了围压和径向荷载共同作用下,考虑裂纹面摩擦的预制裂纹巴西盘应力强度因子计算公式,从理论上分析了围压、径向荷载和裂纹面摩擦对巴西盘应力强度因子的影响。结果表明,围压对I型应力强度因子有很大影响,I型应力强度因子随围压的增大而减小。当裂纹面闭合后围压和摩擦系数对II型应力强度因子同样具有显著影响,考虑裂纹面有效剪应力的权函数法理论解与有限元数值解相吻合,表明理论分析的正确性。