多级纳米蜂窝铝的力学性能预测

摘要

蜂窝结构由于具有较高比强度，在诸多工业领域得到广泛应用。多级多孔蜂窝材料相对传统多孔蜂窝材料而言，其力学性能得到显著提高，因此，构造多级结构的蜂窝具有进一步提高多孔蜂窝材料力学性能的潜质。另外，加上纳米材料具有表面效应，使得多级纳米蜂窝材料的力学性能不同于宏观材料。本文将基于有限元方法建立多级纳米铝蜂窝材料的有限元模型，并且通过在传统有限元程序中引入表面弹性单元，以此来研究纳米多级蜂窝结构由于表面应力而引起的尺度效应；此外，采用分子动力学模拟来探索多级纳米蜂窝铝结构的力学性能（弹性模量和压缩强度）。具体研究内容如下： (1)在传统有限元模型的基础上建立了考虑表面效应的有限元用户子程序，并通过经典问题的理论解的对比验证了本文模型的正确性。在此基础上，建立了自相似多级蜂窝的有限元模型，并以铝蜂窝为例研究了其由于表面效应引起的不同方向弹性模量的尺寸依赖性。研究结果表明：表面效应对自相似多级蜂窝在扶手椅型方向和锯齿型方向的作用效果基本一致；随着蜂窝结构级数的增加，（111）晶面引起的表面效应对结构的增强效果不明显，但（100）晶面表面效应对结构的软化效果显著增强。本文提出的研究方法为纳米多级蜂窝结构力学性能的研究提供了一种新的研究手段。 (2)采用分子动力学方法预测了自相似多级纳米蜂窝铝结构面内的压缩力学性能（弹性模量E和压缩强度σ）。重点研究了相对密度、层级数和长度比对纳米铝蜂窝结构力学性能的影响。模拟结果表明，基于连续介质理论的Gibson模型忽略了表面效应的影响，因而估算的纳米铝蜂窝结构的弹性模量偏低。此外，通过比较一级、二级和三级铝蜂窝结构的变形机制发现，二级和三级铝蜂窝结构由于分别在单级铝蜂窝和二级铝蜂窝的角点处接入六边形，在压缩过程中，多级铝蜂窝结构激发的位错远高于单级铝蜂窝结构。也就是说，在压缩载荷下，多级铝蜂窝结构可以更好利用结构的承载能力，吸收更多的能量。但是，铝蜂窝结构的力学性能无法通过增加级数的方法来无限增强，当铝蜂窝结构的级数达到二级时，其综合力学性能最佳。研究结果还表明，二级纳米铝蜂窝结构长度比在0.3附近时，二级铝蜂窝结构具有最佳的面内力学性能。研究成果对纳米多级蜂窝结构的优化设计具有重要的指导作用。 (3)采用分子动力学方法预测了自相似多级纳米蜂窝铝结构面外的压缩力学性能（弹性模量E和压缩强度σ）。重点研究了相对密度、层级数和长度比对纳米蜂窝铝结构力学性能的影响。模拟结果显示：在相同相对密度下，铝蜂窝结构的面外力学性能明显优于面内的力学性能，而且铝蜂窝铝结构面外的力学性能基本不受蜂窝级数的影响，只与铝蜂窝结构的壁厚有关，随着壁厚的增加，铝蜂窝结构面外的弹性模量和压缩强度强度也非线性的增加。模拟结果还显示：面外具有最佳力学性能的长度比为0.4，不同于面内的最佳长度比。

目录

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究目的和内容

第2章自相似多级蜂窝模型及研究方法

2.1自相似多级蜂窝模型

2.2均匀化理论

2.3表面弹性效应的基本概念

2.4分子动力学原理和模拟方法

2.5本章小结

第3章 自相似多级纳米蜂窝铝结构表面效应的有限元模拟

3.1引言

3.2表面弹性效应的基本概念和力学描述

3.3有限元模型

3.4结果分析

3.5本章小结

第4章 自相似多级纳米蜂窝铝结构面内力学性能的分子动力学模拟

4.1引言

4.2分子动力学模型的建立

4.3分子动力学方法

4.4结果分析

4.5 本章小结

第5章 自相似多级纳米蜂窝铝结构面外力学性能的分子动力学模拟

5.1引言

5.2分子动力学模型的建立

5.3 分子动力学方法

5.4 结果分析

5.5 本章小结

第6章 结论及展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题情况

致谢

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