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碳纳米管自发现以来,其力学性能的研究是众多性能研究中的热点之一。近年来,碳纳米管在纳米领域呈现出巨大的应用前景,倍受研究者的关注。因此,对碳纳米管基础力学特性的研究提出了更高要求。 本文基于分子结构力学方法,建立了修正梁单元模型,并对单壁碳纳米管在径向和轴向方向上的若干基础力学特性进行了分析,其中包括对单壁碳纳米管径向弹性模量、轴向弹性模量和剪切模量的分析,对碳纳米管屈曲行为的分析,对径向呼吸模态的分析,并重点讨论了几何性能对各方面力学特性的影响。通过与已有相关文献的结果比较,验证了对梁单元模型给予修正的思路的可行性和对梁单元模型修正的合理性。 在修正梁单元模型的构建中,由于任意手性的单壁碳纳米管可以看成由石墨烯卷曲而成,面内键角变化能的键角弯曲方向将不再是等效梁单元矩形截面的形心主轴方向,石墨烯C-C键等效梁单元的参数不能直接的应用于碳纳米管,因此应当给予合理修正。 在弹性模量和剪切模量的计算中,直径和手性对径向弹性模量、轴向弹性模量和剪切模量都会有明显影响,计算结果表明,小直径对它们的影响更为突出。当碳纳米管的直径足够大时,轴向弹性模量也趋近于石墨烯的弹性模量,同时径向弹性模量与实验和分子动力学计算结果都很好吻合,验证了该修正梁单元模型的合理性。 在屈曲分析中,分析了单壁碳纳米管在轴向压缩载荷和弯曲力矩作用下的屈曲行为。重点探讨了,在轴向压缩载荷作用下长径比、直径和手性对屈曲变形和屈曲载荷的影响,在弯曲力矩作用下大直径单壁碳纳米管的弯曲力矩与弯曲转角、弯曲曲率之间的关系,并与相关结果进行了比较。 在径向呼吸模态的分析中,长径比、直径和手性同样是影响径向呼吸模态频率和径向类似呼吸模态频率的重要变量。结果发现,径向类似呼吸模态同径向标准呼吸模态一样有重要意义,也可以是测量和识别碳纳米管直径和电子结构的一个重要参考依据。