尺度效应和范德华力对多壁碳纳米管临界屈曲的影响

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本文在已有的研究基础上,基于非局部连续介质力学圆柱壳模型,着重研究尺度效应和范德华力对不同偶合载荷作用下的多壁碳纳米管临界屈曲的影响;由于之前文献对多壁碳纳米管临界屈曲的研究多数不考虑小尺度的影响,本文给出了考虑小尺度效应的多壁碳纳米管临界屈曲载荷的计算结果并对小尺度效应对多壁碳纳米管临界屈曲的影响作了深入的比较。本文基于考虑小尺度效应的非局部弹性理论,将多壁碳纳米管考虑为具有相同等效弹性模量和等效厚度的多层非局部弹性圆柱壳构成,推导了考虑小尺度效应、在不同偶合载荷作用下的多壁碳纳米管临界屈曲的控制方程;其中,碳纳米管之间的范德华力的作用由L-J模型描述,碳纳米管与基体之间的相互作用由Whitney-Riley弹簧模型来描述。在实际算例中,分别计算了尺度效应对多壁碳纳米管扭转屈曲、拉(压)扭偶合屈曲和径向外压与扭转偶合屈曲的影响。另外,基于一个N层薄型的多壁碳纳米管(内管半径与厚度比≥5)可以等效成一个弯曲刚度为ND和厚度为Nt的单壁管来计算的结论,提出了一个以层数较少的等效纳米管来替代实际层数较多的厚多壁纳米管的近似等效计算方法,这种近似计算方法可用于各种载荷作用下屈曲的计算,并取得了很高的计算效率和精度,降低了计算难度。最后,本文推导了考虑多壁碳纳米管任意层之间精确范德华力相互作用的多壁碳纳米管扭转屈曲的控制方程;计算和研究了精确范德华力对多壁碳纳米管扭转屈曲的影响。本文的研究方法和所得的计算结果可以为由碳纳米管为基本元件组成的各种纳米机械的工程应用提供具有实际应用价值的理论指导意义。
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