石墨烯气凝胶是一种石墨烯三维宏观结构,具有高孔隙率、超低密度、优异的力学和导电性能,在吸附、催化、储能和电化学领域有着广泛的应用前景。随着制备技术的发展,石墨烯气凝胶的微观结构可控制备成为可能,不同的微观结构具有不同的力学性能。揭示石墨烯气凝胶的变形机制和力学性能对微观结构的依赖关系对石墨烯气凝胶的结构优化设计和应用具有重要意义。本论文提出了石墨烯及其集合体的粗粒化分子动力学方法,构建了具有蜂窝结构的石墨烯气凝胶的分析模型,研究了压缩、剪切和冲击力学性能及微观结构变形机理。主要研究内容如下。(1)基于Tersoff势函数,提出了石墨烯的粗粒化分子动力学方法。通过与全原子模拟的结果进行比较,验证了方法的有效性。采用一个粗粒代替四个原子,粗粒间的成键相互作用采用Tersoff势函数形式的粗粒化势函数表示、非成键相互作用采用Lennard-Jones势函数表示,对单层、多层石墨烯的拉伸及弯曲行为、石墨烯的层间剪切响应进行了模拟,结果表明粗粒化分子动力学方法计算准确、有效减少了计算时间。(2)建立了双层蜂窝结构交错排布的石墨烯气凝胶的粗粒化分子动力学模型,模拟了石墨烯气凝胶的准静态单轴压缩行为。分析了压缩及压缩-恢复过程中气凝胶的应力-应变关系,研究了气凝胶的微观结构的演变过程,以及石墨烯层数、尺寸和蜂窝结构的排布方式对气凝胶压缩行为的影响。分析了石墨烯气凝胶的泊松比在压缩过程中的变化规律,描述了负泊松比现象。(3)采用粗粒化分子动力学方法模拟了蜂窝结构的石墨烯气凝胶的准静态剪切行为。分析了单层石墨烯气凝胶在蜂窝面内和面外的剪切破坏变形及剪切-恢复过程,讨论了微观结构对气凝胶蜂窝面内和面外剪切行为的影响。(4)建立了石墨烯气凝胶在蜂窝结构面外和面内受冲击载荷的力学分析模型,采用粗粒化分子动力学方法模拟了石墨烯气凝胶的冲击行为。计算了在冲击过程中气凝胶的微观结构变形,分析了不同冲击能量下气凝胶的接触力及能量耗散规律。