本专著结合自己近10年的研究成果进行编写,其主要内容包括:(1)修正连续介质模型;(2)动力系统分支理论;(3)基于弹性梁模型的输流多壁碳纳米管的动力学特性研究;(4)基于弹性壳模型的充流多壁碳纳米管动力学特性研究;(5)充流多壁碳纳米管的非线性振动特性研究。
更多科学出版社服务,请扫码获取。
在过去的十几年里,以碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)为基础的微/纳装置受到人们广泛的关注,尤其在微/纳机电领域。CNTs的纳米尺度和优异的结构特性使其成为结构紧凑、灵敏度高、耗能低、操作安全、适用于现场检测和远程监控的传感器和控制器,例如碳纳米管可以用作电容器电极、开关、质量传感器和纳米谐振器等。同时,由于其耐强酸、强碱,在空气中973K以下基本不被氧化的优良性质,碳纳米管被认为是一种理想的贮流、输流、传质和传热元件。例如,碳纳米管可以封装、传输流体和生物类分子,从而广泛地应用于纳米温度计、药物传输装置和生物分子输运等领域。
然而研究人员发现,流体在纳米通道内的流动特征与宏观力学体系存在很大的区别,以原子势为基础的输流CNTs系统的力学行为和纳米流体技术的发展相对于单纯CNTs固体力学特性的研究滞后很多,尤其是微/纳构件机械振动和流体流动之间的非线性耦合,人们对此耦合机理了解甚少。因而,应用非线性动力学方法和修正连续介质力学方法,在小尺度效应下,对微/纳机电系统中重要的贮流、输流、传质和传热的微/纳管道的多场耦合力学行为、系统动力学特征以及稳定控制策略开展深入研究,对促进微/纳米流体力学和微/纳机电技术的发展具有重要的理论价值和工程应用价值,研究成果可以支撑微/纳输流系统装置的优化设计和技术创新。
在过去的8年中,作者较为广泛地开展了流体.结构相互作用、流动数值模拟、CNTs力学特性、CNTs振动及稳定性等方面的理论研究,具有一定的知识积累,并在此基础上对相关领域的研究成果进行总结,撰写成此书,供感兴趣的读者参考。
全书共7章,在内容安排上力求反映相关领域的最新成果和研究的发展动向。第1章介绍了碳纳米管力学的研究方法、研究现状与发展趋势,以及基于连续介质力学模型的碳纳米管的动力学问题。第2章介绍了修正连续介质力学模型及动力系统相关理论。第3章基于连续介质力学模型从定性与定量两个角度分别研究了碳纳米管的大挠度非线性振动特性。第4章基于Eringen的非局部弹性理论本构关系推导非局部连续介质力学模型的振动方程,考查范德华力对小尺度效应的影响。第5章主要研究了贮(输)流多壁碳纳米管的动力学特性。第6章基于非局部各向异性弹性壳模型研究了任意手性单壁碳纳米管在水中的轴对称振动。第7章采用多重弹性壳模型研究了表面润湿性对单壁碳纳米管的动力学行为的影响。
在本书完稿之际,作者要衷心感谢昆明理工大学李继彬教授和张立翔教授,是他们指导作者走进此研究领域,其为师为学,使作者终身受益,感恩至深。感谢香港城市大学建筑系LiewKM教授和何小桥博士在作者访学期间给予的辛勤指导和无私帮助;感谢研究生刘恒、牛朝、丁云在本书成书过程中给予的帮助和支持;最后还要感谢国家自然科学基金(10902044、11172115),高校博士点新教师基金(20095314120011)、云南省自然科学基金(2008A037M)、云南省中青年学术和技术带头人后备人才基金(2015HB017)、昆明理工大学首批学科方向团队“输流微纳管道力学”项目给予的经费资助。另外,本书引用了大量的文献,在此对所引用文献的作者表示感谢。
由于作者水平有限,书中难免存在错误和疏漏之处,诚恳欢迎读者提出宝贵意见,以期共同提高。
目录
第1章 绪论1
1.1引言1
1.2碳纳米管的结构与性质1
1.3碳纳米管的应用4
1.4碳纳米管的力学研究方法4
1.4.1实验法5
1.4.2分子动力学方法5
1.4.3连续介质力学方法6
1.5基于连续介质力学模型的碳纳米管的动力学问题8
1.6本书的主要内容9
参考文献11
第2章 修正连续介质力学模型及动力系统相关理论19
2.1引言19
2.2欧拉梁模型20
2.2.1单层欧拉梁模型20
2.2.2多层欧拉梁模型21
2.3铁摩辛柯梁模型24
2.4弹性壳模型25
2.5范德华力模型28
2.5.1Ru的范德华力模型29
2.5.2He的范德华力模型30
2.5.3Xu的范德华力模型32
2.6动力系统的相关理论33
2.6.1二阶动力系统的平衡点33
2.6.2平面自治系统的分岔36
2.7流固耦合系统的分岔36
参考文献38
第3章 碳纳米管的非线性动力学行为研究41
3.1引言41
3.2轴向应力对单壁碳纳米管非线性动力学特性的影响42
3.2.1单壁碳纳米管的模型42
3.2.2算例44
3.2.3本节小结48
3.3基于弹性壳模型的简支双壁碳纳米管的非线性动力学行为研究48
3.3.1双壁碳纳米管的壳模型48
3.3.2算例53
3.3.3本节小结58
3.4采用多尺度法研究双壁碳纳米管的非线性振动58
3.4.1控制方程58
3.4.2结果和讨论65
3.4.3小结70
参考文献70
第4章 小尺度效应对多壁碳纳米管动力学行为的影响73
4.1引言73
4.2Eringen的非局部弹性本构关系74
4.3基于非局部弹性理论的多壁碳纳米管的欧拉梁模型75
4.3.1非局部欧拉梁模型75
4.3.2多壁碳纳米管的非局部欧拉梁模型76
4.3.3算例78
4.4基于非局部弹性理论的多壁碳纳米管的铁摩辛柯梁模型82
4.4.1非局部铁摩辛柯梁模型82
4.4.2多壁碳纳米管的非局部铁摩辛柯梁模型83
4.4.3算例84
4.5基于非局部梁模型的相关结论86
4.6小尺度效应对温度场中的三壁碳纳米管的轴向屈曲行为的影响87
4.6.1三壁碳纳米管的非局部弹性壳模型88
4.6.2算例92
4.6.3小结95
参考文献95
第5章 贮(输)流多壁碳纳米管的动力学特性研究99
5.1引言99
5.2贮流多壁碳纳米管的非共轴振动100
5.2.1贮流多壁碳纳米管的耦合模型100
5.2.2流体与碳纳米管的耦合模型101
5.2.3算例103
5.2.4小结106
5.3基于弹性梁模型的输流多壁碳纳米管的动力学行为研究106
5.3.1输流多壁碳纳米管的振动模型106
5.3.2算例113
5.3.3输流双壁碳纳米管和三壁碳纳米管动力学行为的比较120
5.3.4小结125
5.4基于弹性壳模型的输流多壁碳纳米管的动力学行为研究125
5.4.1输流双壁碳纳米管的振动模型126
5.4.2流体模型127
5.4.3流固耦合模型的振动分析128
5.4.4算例131
5.4.5小结137
5.5基于水壳模型的输流碳纳米管动力学行为研究138
5.5.1双层壳体–势流模型138
5.5.2结果与讨论142
5.5.3小结146
参考文献146
第6章 任意手性单壁碳纳米管在水中的轴对称振动150
6.1引言150
6.2各向异性弹性常数与分子力学模型151
6.2.1“棒–螺旋”模型151
6.2.2应变能的表面密度152
6.2.3表面弹性常数155
6.2.4非局部各向异性弹性壳模型156
6.3碳纳米管的轴对称振动159
6.4结果和讨论163
6.5小结168
参考文献168
第7章 表面润湿性对单壁碳纳米管动力学行为的影响171
7.1多重壳模型171
7.2结果与讨论174
7.2.1静水作用下单壁碳纳米管的动力学行为研究174
7.2.2流水作用下单壁碳纳米管的动力学行为研究177
7.3结论181
参考文献181
彩图