CN103853920A - 一种输流多壁碳纳米管动力学特性预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输流多壁碳纳米管动力学特性预测方法,具体涉及到微纳机电系统领域内碳纳米管输运系统的动力学特性领域。具体方法是在计算的过程中设定控制方程模块、伽辽金离散模块、特征值求解模块、结果输出模块,最终完成输流多壁碳纳米管动力学特性的预测。一是拓展传统宏观连续介质力学的方法研究微纳输运系统,二是借助动力系统分支理论研究耦合系统的动力学行为,以确保微纳输运系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种输流多壁碳纳米管动力学特性预测方法,具体涉及到微纳机电系统领域内碳纳米管输运系统的动力学特性领域。
背景技术
关于流体在碳纳米管中流动的研究主题已经引起人们越来越多的关注,例如水分子在碳纳米管中的调整能力,流体与管壁相互作用,流体动力学行为对纳米管尺寸的依赖性,流体在单壁碳纳米管中流动对碳纳米管的振动和稳定性产生的影响。很多Navier-Stokes方程和分子动力学的比较证实当管道直径尺寸超过6-10个流体分子尺寸时,经典流体力学方法与分子动力学模拟结果的差别很小。Travis等应用经典Navier-Stokes方程研究微观管道中的Poiseuille(泊箫叶流),所得结论与分子动力学模拟结果很一致。
另外,Hu等采用分子结构力学方法(MSMA) 研究碳纳米管的屈曲特点,发现对于大尺度的碳纳米管,连续力学模型例如欧拉梁、铁摩辛柯梁或者壳模型的预测结果是有效的,当长度足够大时,欧拉梁模型可以用来获得屈曲荷载值。由于实验和分子动力学模拟的局限性,连续介质力学模型已成为研究碳纳米管力学行为的有效方法之一。其中欧拉梁模型数学描述简单,而且可以预测一些重要的物理现象,因此吸引了大批的研究者,然而利用连续介质力学模型考查有范德华力的输流多壁碳纳米管的稳定性问题还没有相关报道。因此,本发明采用多层欧拉梁模型模拟碳纳米管,通过哈密顿变分原理,推导输流多壁碳纳米管的横向振动方程,得到了由于流体的存在而引入的系统的不稳定和分岔问题。确定了不同参数条件下,分岔和颤振对应的临界流速。
发明内容
本发明的目的是了解微纳输运系统的动力学特征,提出一种输流多壁碳纳米管动力学特性预测方法,具体是一种基于修正弹性梁模型的输流多壁碳纳米管动力学特性预测方法,一是拓展传统宏观连续介质力学的方法研究微纳输运系统,二是借助动力系统分支理论研究耦合系统的动力学行为,以确保微纳输运系统的稳定性。
本发明的技术方案是在计算过程中设定以下四个模块:控制方程模块、伽辽金离散模块、特征值求解模块、结果输出模块,其具体步骤如下:
(1)通过哈密顿变分原理,将传统的弹性梁模型和多壁碳纳米管层间范德华力模型以及流体与内管相互作用模型结合,根据修正连续介质力学方法,建立基于修正弹性梁模型的输流多壁碳纳米管耦合系统模型:
1.1 借助哈密顿变分方法,建立耦合系统振动控制方程
输流多壁碳纳米管可看成由多个半径不同的同心管道组成,从里到外各同心管道的半径依次为 ,各层管横截面沿其任一对称轴的惯性矩为。每个同心管道有相同的厚度、长度和杨氏模量,且每单位长度的质量为。流体只位于最内层管中,流体的流速为,且每单位长度的质量为,代表第层管沿横向位移,是作用在第层管的范德华力,如时,代表作用在最内层管的范德华力。
其中,为多壁碳纳米管的轴向坐标,是时间,代表流体和最内层碳纳米管的惯性力,代表流体流过最内层碳纳米管道时产生的离心力,是角速度,代表流体流过最内层碳纳米管道时产生的陀螺力,是第层碳纳米管的弹性回复力,是第层碳纳米管的惯性力。
1.2 选择多壁碳纳米管层间相互作用的范德华力模型:
将范德华力公式(4)代入式(2)和式(3),则输流多壁碳纳米管的横向振动方程为
使用下面的无量纲公式
把方程(5~6)可以写成无量纲形式
(2)伽辽金离散模块:多壁碳纳米管的每层管的位移都可以用阶模态的伽辽金离散方法来描述,即
(10)
(11)
(3)特征值求解模块:借助MATLAB数学工具,通过编写MATLAB程序,输入系数矩阵,求解不同参数下特征方程(11)的特征值和相应的响应模态,并分别输入到文件eigenvalue.txt和mode.txt;
(4)结果输出模块:将模块三的计算结果,通过程序接口导入origin绘图软件,得到特征值实部和虚部随参数的变化以及相应的振动模态,判断耦合系统随特征参数产生的分叉类型,从而更好地判断系统的稳定性。
本发明的有益效果是:
(1)由于实验和分子动力学模拟的局限性,对微纳输运系统的动力学预测一直没有较实用的方法,本发明拓展传统的连续介质力学模型,借助系统动力学分叉理论能够有效地判断输流碳纳米管系统的动力学行为。
(2)该发明能很好地识别不同特征参数下系统动力学特征的改变,能较完整地描述微纳输运系统动力学行为随不同特征参数的变化。
(3)该发明计算程序简单实用,计算效率高,而且可以预测一些重要的物理现象,具有较好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的技术方案流程示意图;
图2是本发明两端固定的输流三壁碳纳米管计算模型;
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步说明。
实施方式一:如图1所示,本实施方式的基于修正弹性梁模型的输流多壁碳纳米管动力学特性预测方法包括下列步骤:
(1)通过哈密顿变分原理,将弹性梁模型和多壁碳纳米管层间范德华力模型以及流体与内管相互作用模型结合,基于修正连续介质力学方法,建立基于修正弹性梁模型的输流多壁碳纳米管耦合系统模型:
(2)采用伽辽金离散模块表述多壁碳纳米管的每层管的位移,然后代入步骤(1)得到的输流多壁碳纳米管耦合系统模型中,经过计算得到模型微分方程的特征方程,其中,是单位矩阵,是微分方程组的系数矩阵,是系统的特征值;
(4)将步骤(3)输入文件eigenvalue.txt和mode.txt的结果导入origin绘图软件,得到特征值实部和虚部随参数的变化以及相应的振动模态,判断耦合系统随特征参数产生的分叉类型,完成输流多壁碳纳米管动力学特性的预测。
下面以某两端固定的三壁输水碳纳米管为实例,对发明详细流程作进一步的详细说明。
步骤1:输流多壁碳纳米管耦合系统振动控制方程的建立
步骤1.1 借助哈密顿变分方法,建立耦合系统振动控制方程
如图2所示的输流三壁碳纳米管的内管、中管和外管的半径分别为(大约79个水分子的尺寸)和,其惯性矩分别为。每个管有相同的厚度,长度,杨氏模量,内管中流体的流速为,且每单位长度的质量为,代表第层管沿横向位移,是作用在第层管的范德华力,分别代表内管、中管和外管。
其中,为多壁碳纳米管的轴向坐标,是时间,和分别表示第2层和第3层碳纳米管的弹性回复力,和分别表示第2层和第3层碳纳米管的惯性力,代表流体和最内层碳纳米管的惯性力,代表流体流过最内层碳纳米管道时产生的离心力,是角速度,代表流体流过最内层碳纳米管道时产生的陀螺力
步骤1.2 选择多壁碳纳米管层间相互作用的范德华力模型
将范德华力公式(5)代入方程(2-4),则输流三壁碳纳米管的横向振动方程为
步骤2:伽辽金离散使用下面的无量纲公式
步骤3:特征值求解:借助MATLAB数学工具,通过编写MATLAB程序,输入系数矩阵,求解不同参数下特征方程(14)的特征值和相应的响应模态,并分别输入到文件eigenvalue.txt和mode.txt。
步骤4 :结果输出及分析:将文件eigenvalue.txt通过程序接口导入origin绘图软件,得到特征值实部和虚部随特征参数的变化,如以内管中流体速度为特征参数,可得到耦合系统特征值虚部和实部随流体速度的变化,如图3和图4所示。显而易见,内部流体有效的影响了内管的振动频率。在有范德华力的情况下,临界流速分别设为,,。在的区域内,一阶和二阶模态对应的振动频率随着流速的增加呈抛物线型下降,且如图4所示所有的实部为零,两者说明系统处于稳定状态。当流速增加到时,一阶模态对应的频率变为零,相应振动出现第一次失稳,此时,系统由于叉式分岔失去稳定性。随着流速继续增加,特征值进入区域内,出现正实部的特征值,显而易见,由于存在正实部的特征值,在该区域系统处于不稳定状态。当流速时,所有特征值的虚部不同且实部为零。此时临界流速对应着重新稳定状态,直到临界流速出现,系统一直处于稳定状态,在处一次和二次模态开始互相耦合,如图3所示,由哈密顿霍普夫分岔对应的颤振不稳定发生了,当时,由于存在正实部,系统再次处于不稳定状态。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种输流多壁碳纳米管动力学特性预测方法,其特征在于具体步骤为:
(1)通过哈密顿变分原理,将弹性梁模型和多壁碳纳米管层间范德华力模型以及流体与内管相互作用模型结合,根据修正连续介质力学方法,建立基于修正弹性梁模型的输流多壁碳纳米管耦合系统模型:
(2)采用伽辽金离散模块表述多壁碳纳米管的每层管的位移,然后代入步骤(1)得到的输流多壁碳纳米管耦合系统模型中,经过计算得到模型微分方程的特征方程 ,其中,是单位矩阵,是微分方程组的系数矩阵,是系统的特征值;
(3)将微分方程组的系数矩阵通过MATLAB求解不同参数下特征方程的特征值和相应的响应模态,并分别输入到文件eigenvalue.txt和mode.txt;
(4)将步骤(3)输入文件eigenvalue.txt和mode.txt的结果导入origin绘图软件,得到特征值实部和虚部随参数的变化以及相应的振动模态,判断耦合系统随特征参数产生的分叉类型,完成输流多壁碳纳米管动力学特性的预测。
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