碳纳米弹簧的分子结构力学有限元分析

摘要

新材料是发展高科技的物质基础和先导。纳米材料及其纳米结构已成为二十一世纪新材料研究中最富有活力的生长点之一。其中，碳纳米管作为纳机电系统（NEMS）和纳米复合材料(NCM)的基本构件，由于其独特的纳米级尺寸和空心结构，较大的比表面积等特性而倍受关注。由碳纳米管构成的螺旋结构---碳纳米弹簧，由于具有独特的力学和电学性能，比碳纳米管具有更加广阔的应用前景，已引起人们极大的研究兴趣。为了研究碳纳米弹簧结构的基本力学性能，基于Li和Chou提出的分子结构力学方法[1]，本文在ANSYS?平台上实现了其有限元算法。首先,介绍了分子结构力学理论和范德华力模拟原理;然后,利用通用有限元软件ANSYS?二次开发技术开发了相应的程序模块，其中，原子间的化学键用梁单元模拟，分子间的范德华力用非线性弹簧单元模拟。为了验证该方法的有效性，本文首先对碳纳米管的弹性行为进行了有限元分析，并同现有的文献结果进行了对比；在此基础上，分析了单层碳纳米弹簧的弹性常数与弹簧结构参数（如管直径、弹簧直径、簧圈节距等）间的关系；另外，本文还对双层碳纳米弹簧的力学行为进行了初步探讨，主要研究了分子间范德华力对其弹性行为的影响和碳纳米弹簧弹性系数随结构变形的变化情况。