[论文解读] Numerical Simulation of The Mechanical Properties of Carbon Nanotube Using the Atomistic-Continuum Mechanics

Chung-Jung Wu, Chan-Yen Chou+2 more|ArXiv.org|Aug 10, 2007

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 13被引用 3

一句话总结

本文提出一种结合有限元法（FEM）的原子连续力学（ACM）模型，以高效模拟单壁碳纳米管（SWCNTs）的力学性能。通过连接分子力学与结构力学，该方法在计算成本降低的前提下准确预测了杨氏模量，并完成了模态分析，其结果经验证与现有研究结果一致，且仅使用个人计算机资源即可实现。

ABSTRACT

This paper the utilizes atomistic-continuum mechanics (ACM) to investigate the mechanical properties of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). By establishing a linkage between structural mechanics and molecular mechanics, not only the Young's moduli could be obtained but also the modal analysis could be achieved. In addition, according to atomistic-continuum mechanics and finite element method, an effective atomistic-continuum model is constructed to investigate the above two mechanical properties of SWCNTs with affordable computational time by personal computers. The validity of the results is demonstrated by comparing them with existing results.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效的单壁碳纳米管（SWCNTs）力学性能模拟方法。
• 在原子尺度分子力学与连续体结构力学之间建立桥梁，以实现精确的力学建模。
• 利用标准个人计算机实现低成本、高保真的SWCNT模拟。
• 将所提模型与现有模拟和实验结果进行验证。

提出的方法

• 作者采用原子连续力学（ACM）将分子尺度相互作用与连续体力学框架相耦合。
• 将有限元法（FEM）与ACM结合，将SWCNTs建模为具有等效材料属性的结构梁。
• 该方法从原子力场中推导出等效弹性常数（包括杨氏模量），并将其应用于连续体有限元公式中。
• 模型采用SWCNTs的代表性结构几何形态，以模拟其轴向、弯曲及振动行为。
• 通过所推导的连续体模型进行模态分析，以研究其固有频率与振型。
• 通过避免全尺度原子模拟，在保持精度的同时实现了计算效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子连续体模型是否能在计算成本降低的前提下准确预测SWCNTs的杨氏模量？
• RQ2 与全原子模拟相比，ACM-FEM联合方法在再现SWCNTs振动模态方面表现如何？
• RQ3 标准个人计算机在使用该混合方法时，能在多大程度上模拟SWCNTs的力学性能？
• RQ4 与文献中已确立的结果相比，所提模型是否保持了准确性？

主要发现

• 所提出的原子连续体模型成功预测了SWCNTs的杨氏模量，结果与现有文献一致。
• 该模型的模态分析结果与已知的SWCNTs振动模态高度吻合，证实了其动态精度。
• 该方法可在标准个人计算机上实现SWCNT力学行为的模拟，显著缩短计算时间。
• 与既有结果的对比验证了ACM-FEM方法在SWCNT分析中的可靠性与鲁棒性。