بررسي كمانش و پس كمانش نانولوله‌هاي كربني تك جداره با استفاده از شبيه سازي عددي

Numerical simulation of buckling and postbuckling of single wall carbon nanotubes

در اين مقاله، به بررسي بار نهايي كمانش و رفتار پس كمانش نانولوله‌هاي كربني تك‌جداره تحت بار فشاري محوري در شرايط دمايي مختلف پرداخته شده است. بار نهايي كمانش در شرايط مرزي يك سر آزاد- يك سر گيردار و دو سر مفصل، و رفتار پس كمانش در شرايط مرزي دو سر گيردار، مورد مطالعه قرار گرفته است. در اينجا با به‎كارگيري مدل قاب فضايي، بار نهايي كمانش و مسير پس كمانش براي نانولوله هاي آرمچير و زيگ زاگ براي كايراليتي ها و نسبت هاي طول به قطر مختلف محاسبه شده است. در اين رهيافت، پيوندهاي بين اتم‌هاي كربن به عنوان عضو حامل نيرو، توسط تير الاستيك سه بعدي مدل مي‌شود كه خواص آن با ايجاد پيوند بين ساختار مولكولي و مكانيك محيط پيوسته به‎دست مي آيد. نتايج به‎دست آمده، نشان مي دهد كه با افزايش نسبت طول به قطر و كاهش كايراليتي، بار نهايي كمانش كاهش مي يابد. همچنين مشاهده شده است كه مسير پس كمانش براي هر دو نانولوله آرمچير و زيگ زاگ، تقريباً يكسان است. در ادامه اثر دما روي بار نهايي كمانش، مورد بررسي قرار گرفته است. ثوابت نيرويي و همچنين طول پيوند اتم هاي كربن در اثر تغيير دماي محيط، تغيير مي كنند. همان‎طور كه انتظار مي رود، افزايش دما ، موجب كاهش بار نهايي كمانش مي شود و مسير پس كمانش نيز، اين روند كاهشي را طي مي‎كند.

Study of the critical buckling load as well as post-buckling behavior of single-walled nanotubes (SWNT) under various thermal conditions is the subject of this article. For finding critical buckling loads the clamped-free and simply supported conditions are considered and for post-buckling analysis the boundary conditions are assumed to be clamped. A space-frame model is here employed for the zigzag and armchair nanotubes with different chiralities and aspect ratios. In this approach, the linkage between carbon atoms is modeled as three dimensional elastic beam. By establishing a linkage between structural mechanics and molecular mechanics, the sectional property parameters of these beam members are obtained. The obtained results indicate that, as it is expected, by increasing the aspect ratio of the nanotubes as well as chirality, the critical buckling load decreases. Also, it is noticed that the post-buckling behavior of both armchair and zigzag nanotubes are quite similar. In addition, the effect of temperature on the critical buckling load is investigated. Due to the influence of temperature over the linkage length and force field constants it is shown that when the temperature increases a decline in the critical buckling loads is observed.