低维纳米材料及其复合结构的冲击特性研究

The development of advanced materials and structures is one of the important symbols of modern aerospace vehicles. As the newly-developed nanomaterials and structures, their impact behavior is especially important. This project is mainly concerned with some dynamic problems of low-dimensional nanomaterials and nano-reinforced composites. The elastica problem of a one-dimensional nanostructure is studied, which provides the basis for the design of nano elastic energy absorption element and dynamic analysis. Based on the molecular structural mechanics approach and impact dynamics, the dynamic response, energy absorption and failure mechanism of perfect and defective low-dimensional nanomaterials with different chiral vectors are investigated. The dynamic characteristics of elastoplastic carbon nanotube arrays under impact loadings are studied theoretically and numerically, the effects of inertia, material nonhomogeneity on the development of buckling modes are discussed. The deformation modes and energy absorption capability of circular ring and elliptical ring systems made of metal and nano-reinforced composite are investigated theoretically. The influences such as impact velocity and stack method are revealed numerically, and experiments are further performed. The results are helpful for the design and application of the nanostructures.

材料和结构的先进性是衡量现代航空航天器的标志之一，作为新型的纳米材料及结构，其在冲击载荷下的力学行为研究尤为重要。本项目针对低维纳米材料及纳米增强复合结构的一些动力学问题展开研究，主要致力于理论研究单根一维纳米结构的elastica 问题，为纳米弹性吸能元件的设计及动力学分析奠定基础；利用分子结构力学方法和冲击动力学理论，分析不同手性的含缺陷和不含缺陷的低维纳米材料在冲击载荷下的动态响应、能量吸收特性及失效机理；通过理论和数值方法分析弹塑性碳纳米管阵列的冲击响应特点，揭示惯性效应、材料的非均匀性对其屈曲模式的发展规律影响；理论研究纳米增强复合材料和金属制成的圆环和椭圆环的变形模式和能量吸收特性，通过数值方法揭示撞击速度、排布方式等因素的影响，并通过典型实验验证。本项目的研究成果对新型的纳米结构设计及应用具有指导意义。

材料和结构的先进性是现代结构设计的永恒主题。本项目针对低维纳米材料及其增强复合结构的一些静力学及动力学问题展开了研究。基于表面弹性力学理论，建立了一维任意边数的正多边形截面纳米线和纳米管考虑非局部效应和表面效应的等效Bernoulli-Euler梁模型，给出了考虑几何非线性的直纳米梁弯曲变形的控制方程。基于表面弹性力学和曲梁的大变形理论，对含初始曲率的一维纳米结构的准静态弹性大挠度问题进行了理论分析，结果表明表面层厚度、非局部效应、截面形状、初始曲率等因素对其力-位移特性均有较大影响。建立了分子结构力学模型，结合有限元方法和冲击动力学理论，对理想和含缺陷的纳米管、单层及多层纳米板在面内及面外冲击载荷下的动态响应、能量分配规律和能量吸收特性进行了分析。当纳米结构中的缺陷数目增加时，结构的承载能力显著降低。揭示了范德华力为影响纳米颗粒撞击纳米板的冲击载荷的关键因素，并建立了相应的冲击模型，分析了矩形和圆形纳米板的弹性冲击力学行为。基于非局部化弹性理论、Hamilton原理及Pasternak地基模型，建立了考虑横向磁场、弹性及粘弹性基底、纳米梁的孔隙率和梯度等因素的一维纳米结构的纵波传播控制方程和振动方程，分析了非局部化参数、材料的梯度等因素对纳米结构的频散特性及振动特性的影响。建立了有限差分模型，揭示了惯性效应、材料的非均匀性对竖直碳纳米管阵列受到质量块撞击和冲击载荷的屈曲模式发展规律及能量吸收特性影响。建立了椭圆环承受横向压缩载荷的刚塑性理论模型，对比和分析了不同长短轴半径比值的椭圆环和圆环的变形模式及能量吸收规律，制作了不同纳米增强相含量的复合材料和纯金属圆环和椭圆环及环列，进行了典型实验验证，考察了这些结构的变形模式和能量吸收特性，与理论模型吻合很好，通过数值方法揭示了椭圆环及环列的撞击速度、排布方式等因素的影响，结果表明合理排布的椭圆环列具有很好的能量吸收特性。本项目的研究成果对新型的轻质吸能结构设计及应用具有指导意义。