文章基本信息

标题：About definition of the elasticity module of single-walled carbon nanotubes by methods of structural mechanics
本地全文：下载
作者：Anton Karvatskii ; Ihor Mikulionok ; Taras Lazarev 等
期刊名称：Vìsnik Nacìonalʹnogo Tehnìčnogo Unìversitetu Ukraïni Kiïvsʹkij Polìtehničnij Institut. Serìâ Mašinobuduvannâ
印刷版ISSN：2305-9001
出版年度：2019
卷号：85
期号：1
页码：13-25
DOI：10.20535/2521-1943.2019.85.153877
出版社：Natsional'nyi Tekhnichnyi Universytet Ukrainy "Kyivs'kyi Politekhnichnyi Instytut imeni Ihorya Sikors'koho",National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
摘要：Целью статьи является отработка и проверка числовых методик определения модуля упругости однослойных углеродных нанотрубок с использованием метода конечных элементов, а также связи между параметрами молекулярной и структурной механики. Исследования проводились для нанотрубок различных типов пространственно-каркасных моделей, а именно типа "кресло" (armchaіr), типа "зигзаг" (zіgzag) и типа "хиральная" (chіral). Для построения моделей нанотрубок указанных типов разработаны программные коды с использованием свободно открытого программного обеспечения Gmsh. Рассмотрены формулировки линейных и нелинейных соотношений для определения параметров структурной механики на основе энергетических потенциалов и силовых коэффициентов молекулярной механики. Формулировка нелинейной задачи получила определённое уточнение в части определения соотношений "обобщённая деформация – обобщённые напряжения". Разработаны численные модели для исследования модуля упругости нанотрубок различного типоразмера (хиральности и диаметра), представляющие собой макросы на языке программирования APDL ANSYS Mechanіcal APDL. Результаты сравнения полученных результатов показали удовлетворительное согласование с теоретическими и экспериментальными данными: расхождение с известными теоретическими оценками составляет 0,08–5,1 %. Предложенные верифицированные численные методики для определения модуля упругости нанотрубок в дальнейшем планируется использовать для разработки новых полимерных нанокомпозитов.↓Метою статті є відпрацювання та перевірка числових методик визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок з використанням методу скінченних елементів, а також зв’язку між параметрами молекулярної і структурної механіки. Дослідження проводилося для нанотрубок різних типів просторово-каркасних моделей, а саме типу «крісло» (armchair), типу «зиґзаґ» (zigzag) і типу «хіральна» (chiral). Для побудови моделей нанотрубок зазначених типів розроблено програмні коди у середовищі вільно відкритого програмного забезпечення Gmsh. Розглянуто формулювання лінійних і нелінійних співвідношень для визначення параметрів структурної механіки на основі енергетичних потенціалів та силових коефіцієнтів молекулярної механіки. Формулювання нелінійної задачі дістали певного уточнення в частині визначення співвідношень «узагальнена деформація – узагальнені напруження». Розроблено числові моделі для дослідження модуля пружності нанотрубок різного типорозміру, що представляють собою макроси на мові програмування APDL ANSYS Mechanical APDL. Результати порівняння отриманих результатів показали задовільне узгодження з теоретичними та експериментальними даними: розбіжність з відомими теоретичними оцінками становить 0,08–5,1 %. Запропоновані верифіковані числові методики для визначення модуля пружності нанотрубок у подальшому планується застосовувати для розроблення нових полімерних нанокомпозитів.
其他摘要：The purpose of article is working off and check of numerical techniques of definition of the elasticity module of single-walled carbon nanotubes with use of a method of final elements, and also ties between parameters of molecular and structural mechanics. Researches were conducted for nanotubes of various types of spatial and frame models, namely the armchaіr type, the zigzag type and the chіral type. Program codes with use of freely open software of Gmsh are developed for design of models of nanotubes of these types. Formulations of linear and nonlinear ratios for determination of parameters of structural mechanics on the basis of energy potentials and power coefficients of molecular mechanics are considered. The formulation of a nonlinear problem received a certain specification regarding definition of ratios "the generalized deformation – the generalized tension". The numerical models for research of the elasticity module of nanotubes of various dimension-types (chіrality and diameter) representing macroes in the APDL ANSYS Mechanical APDL programming language are developed. Results of comparison of the received results showed satisfactory coordination with theoretical and experimental data: the divergence with the known theoretical estimates makes 0.08–5.1 %. The offered verified numerical techniques for definition of the elasticity module of nanotubes are planned to be used further for development of new polymeric nanocomposites.
关键词：модуль упругости;однослойные углеродные нанотрубки;молекулярная механика;структурная механика;числовое моделирование;модуль пружності;одношарові вуглецеві нанотрубки;молекулярна механіка;структурна механіка;числове моделювання
其他关键词：elasticity module;single-walled carbon nanotubes;molecular mechanics;structural mechanics;numerical modeling