低維納米材料及其複合結構的衝擊特性研究

《低維納米材料及其複合結構的衝擊特性研究》是依託北京航空航天大學，由劉華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低維納米材料及其複合結構的衝擊特性研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：劉華
• 項目類別：面上項目

項目摘要

材料和結構的先進性是衡量現代航空太空飛行器的標誌之一，作為新型的納米材料及結構，其在衝擊載荷下的力學行為研究尤為重要。本項目針對低維納米材料及納米增強複合結構的一些動力學問題展開研究，主要致力於理論研究單根一維納米結構的elastica 問題，為納米彈性吸能元件的設計及動力學分析奠定基礎；利用分子結構力學方法和衝擊動力學理論，分析不同手性的含缺陷和不含缺陷的低維納米材料在衝擊載荷下的動態回響、能量吸收特性及失效機理；通過理論和數值方法分析彈塑性碳納米管陣列的衝擊回響特點，揭示慣性效應、材料的非均勻性對其屈曲模式的發展規律影響；理論研究納米增強複合材料和金屬製成的圓環和橢圓環的變形模式和能量吸收特性，通過數值方法揭示撞擊速度、排布方式等因素的影響，並通過典型實驗驗證。本項目的研究成果對新型的納米結構設計及套用具有指導意義。

結題摘要

材料和結構的先進性是現代結構設計的永恆主題。本項目針對低維納米材料及其增強複合結構的一些靜力學及動力學問題展開了研究。基於表面彈性力學理論，建立了一維任意邊數的正多邊形截面納米線和納米管考慮非局部效應和表面效應的等效Bernoulli-Euler梁模型，給出了考慮幾何非線性的直納米梁彎曲變形的控制方程。基於表面彈性力學和曲梁的大變形理論，對含初始曲率的一維納米結構的準靜態彈性大撓度問題進行了理論分析，結果表明表面層厚度、非局部效應、截面形狀、初始曲率等因素對其力-位移特性均有較大影響。建立了分子結構力學模型，結合有限元方法和衝擊動力學理論，對理想和含缺陷的納米管、單層及多層納米板在面內及面外衝擊載荷下的動態回響、能量分配規律和能量吸收特性進行了分析。當納米結構中的缺陷數目增加時，結構的承載能力顯著降低。揭示了范德華力為影響納米顆粒撞擊納米板的衝擊載荷的關鍵因素，並建立了相應的衝擊模型，分析了矩形和圓形納米板的彈性衝擊力學行為。基於非局部化彈性理論、Hamilton原理及Pasternak地基模型，建立了考慮橫向磁場、彈性及粘彈性基底、納米梁的孔隙率和梯度等因素的一維納米結構的縱波傳播控制方程和振動方程，分析了非局部化參數、材料的梯度等因素對納米結構的頻散特性及振動特性的影響。建立了有限差分模型，揭示了慣性效應、材料的非均勻性對豎直碳納米管陣列受到質量塊撞擊和衝擊載荷的屈曲模式發展規律及能量吸收特性影響。建立了橢圓環承受橫向壓縮載荷的剛塑性理論模型，對比和分析了不同長短軸半徑比值的橢圓環和圓環的變形模式及能量吸收規律，製作了不同納米增強相含量的複合材料和純金屬圓環和橢圓環及環列，進行了典型實驗驗證，考察了這些結構的變形模式和能量吸收特性，與理論模型吻合很好，通過數值方法揭示了橢圓環及環列的撞擊速度、排布方式等因素的影響，結果表明合理排布的橢圓環列具有很好的能量吸收特性。本項目的研究成果對新型的輕質吸能結構設計及套用具有指導意義。