Математическое моделирование деформирования углеродных нанотрубок

С открытием существования фуллеренов [47] (1985 г.), нанотрубок [72] (1991 г.) и графеиа [60] (2004 г.) в науке и технике образовалось новое направление — нанотех-нологии. Наноструктуры играют все большую роль в современных нанотехнологиях [8]. Одним из направлений, развиваемых в нанотехнологиях, является разработка как композитных наноматериалов, так и нанообъектов, включающих наноструктуры как составные части. Под наноструктурами понимаем супермолекулы [26], в которых атомы имеют между собой химические (ковалентные) связи, при этом число атомов в наноструктуре может варьироваться от нескольких единиц до миллионов. Пристальное внимание науки к углероду и его модификациям, позволило сделать огромный шаг на пути исследования и получения новых материалов на его основе. Типичными представителями наноструктур являются графен, фуллерен, однослойная и многослойная нанотрубки и т. д. Дальнейшее применение наноструктур в технике и электронике требует их детального изучения физических, химических и механических свойств. Современные сканирующие туннельные микроскопы (СТМ), атомно-силовые микроскопы (АСМ) позволяют исследовать поверхности на молекулярном и атомном уровне [20]. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет не только получать «изображение» наноструктуры, но и ее колебательные спектры. Наряду с экспериментальными наблюдениями последнее время с ростом вычислительных возможностей современных суперкомпьютеров стало возможным математическое моделирование наноструктур, их физических, химических и деформационных свойств [14, 46]. Наиболее распространенными наноструктурами, используемыми в нанотехнологиях, являются нанотрубки [19, 48, 68, 92, 124]. С экспериментальными работами по конструированию нанотрубок, путем сворачивания тонких пленок, можно ознакомится в [56, 90, 109, 123], где представлен метод получения нанотрубок высокой чистоты.

Нанотрубки обладают уникальными физическими и механическими свойствами. Так коэффициент теплопроводности для отдельной нанотрубки хиральности (10,10) при комнатной температуре составляет к = 6600Вт/(м • К) [41] (для сравнения, коэффициент теплопроводности меди составляет к = 401 Вт/(м-К) [21]). Металлической проводимостью обладают те углеродные нанотрубки, для которых разность индексов хиральности п—т кратна трем, остальные углеродные нанотрубки являются полупроводниками [6]. Модуль Юнга идеальной нанотрубки составляет 1000 ГПа, что в пять раз превышает значение теоретического модуля Юнга, рассчитанного для стали, в то время как предел прочности для нанотрубки составляет 63 ГПа, что в 50 раз больше предела прочности стали [49, 68, 93]. Такие высокие значения предела прочности и модуля Юнга вместе с низкой плотностью дают возможность использования нанотрубок и композитов на их основе в передовых отраслях науки и техники. Исследования трибологических свойств многослойной нанотрубки [54] показывают низкие значения сил трения как в динамике, так и в статике, а также практически отсутствие износа на атомарном уровне. Такие уникальные трибологические свойства многослойных нанотрубок дают возможность их дальнейшего использования в качестве наноэлектромеханических систем.

Диссертационная работа посвящена новой постановке задач наномеханики, развитию алгоритмов численного решения нелинейных уравнений молекулярной механики (ММ), их реализации, визуализации результатов расчетов и численному решению новых задач деформирования, потери устойчивости и контактных взаимодействий углеродных нанотрубок. В работе применен новый подход к постановке задач контактного взаимодействия нанотрубок с учетом сил Ван-дер-Ваальса, развиты алгоритмы и процедуры численного решения контактного взаимодействия нанотрубок, показана важность учета сил Ван-дер-Ваальса при контакте наноструктур и их самоконтакте. Типичными задачами ММ являются задачи по потере устойчивости и деформированию наноструктур и их контактному взаимодействию. В работе используется новый подход к определению форм выпучивания, критических значений времен, сил и перемещений при численном решении задач деформирования наноструктур как в квазистатической, так и в динамической постановках.

Актуальность математического моделирования деформирования, потери устойчивости и контактного взаимодействия наноструктур обусловлена стремительным развитием нанотехнологий и их научной основы — наномеханики. Корректное математическое моделирование деформирования, потери устойчивости и контактного взаимодействия наноструктур требует решение задач в нелинейной постановке. Нелинейность может быть физической (законы взаимодействия между атомами наноструктуры существенно нелинейны), геометрической (наноструктуры могут претерпевать большие деформации) и контактной. Нелинейность деформирования наноструктур в крайней степени проявляется при их потере устойчивости. Исследования процессов выпучивания нанотрубок имеют большое значение с точки зрения оценки их эксплуатационных характеристик. В связи с этим математическое моделирование выпучивания однослойных и многослойных нанотрубок быстро развивается (см., например, [5, 27, 28, 29, 30, 31, 39, 40, 57, 63, 73, 82, 86, 85, 91, 101, 102, 107, ИЗ, 118, 119, 120, 121, 127, 135, 136, 138, 139, 140, 141, 142]). Обзор работ по выпучиванию нанотрубок за последние два десятилетия представлен в [111].

Существует два подхода к моделированию процессов деформирования наноструктур: подход, использующий уравнения механики деформируемого твердого тела (МДТТ) и подход, учитывающий атомную/молекулярную природу строения этих объектов.

Первый подход к описанию деформирования наноструктур использует классические уравнения МДТТ. При таком подходе численное моделировании деформирования наноструктур происходит путем дискретизации уравнений МДТТ и последующим их решением численными методами, например методом конечных элементов (МКЭ) [11, 34, 144]. При моделировании деформирования наноструктур МКЭ используются дискретизация уравнений теории пластин и оболочек (ТПО). Важным этапом в таком моделировании является выбор конечного элемента (КЭ). Как правило, используются изопараметрические элементы пластин и оболочек высокого порядка аппроксимации, а также выбор параметров модели наноструктуры (в случае однослойной нанотрубки это толщина ее стенки h, модуль юнга Е материала, коэффициент Пуассона и). При таком подходе возможно использование многих коммерческих и свободно распространяемых пакетов программ для геометрического моделирования и численного решения задач МДТТ, например таких как Abaqus [53], MSC. Marc [95], MSC. Patran [105]. Математическое моделирование деформирования наноструктур с использованием уравнений ТПО проводится, например, в работах [24, 45, 69, 98, 117, 126, 128, 130]. Для определения упругих констант, входящих в уравнения ТПО, используют правило Коши — Борна или его модификации [29, 59, 94].

Второй подход, учитывающий атомную/молекулярную природу строения наноструктур реализуется в трех методах: метод, основанный на квантовомеханиче-ских расчетах из первых принципов (ab initio), метод молекулярной механики (ММ) и метод молекулярной динамики (МД).

Квантовомеханические расчеты проводятся для сравнительно небольшого числа частиц (атомов), поскольку решить уравнение Шредингера для системы многих частиц трудно (при увеличении числа частиц время расчета растет экспоненциально). Более подробно о квантовомеханических расчетах можно узнать из книги М. Rieth [112].

Методы ММ и МД основаны на классической механике Ньютона движения материальных частиц в силовых полях. Частицы/атомы наноструктуры представляются в них как материальные точки. Взаимодействие между атомами происходит посредством силовых полей, которые определяются потенциалами. Законы квантовой механики учитываются в методах ММ и МД неявным образом, через использование потенциалов взаимодействия, полученных путем расчета из первых принципов. В отличие от квантовомеханических расчетов, расчеты методами ММ и МД позволяют получать результаты математического моделирования деформирования наноструктур содержащих до 109 атомов, что соответствует одному кубическому микрометру [14].

В основе метода МД лежит использование явных схем интегрирования уравнений движения Ньютона системы атомов [4, 14, 46, 92, 110]. При использовании явных схем интегрирования уравнений движения Ньютона система уравнений распадается на решение несвязанных уравнений, при этом не требуется формировать матриц касательных жесткостей.

При решении уравнений квазистатического движения наноструктур [80] или динамического деформирования этих структур с использованием неявных схем интегрирования уравнений движения Ньютона требуется формировать матрицы касательных жесткостей. Метод решения уравнений квазистатического/динамического движения наноструктур, требующий формулировки матриц касательных жесткостей системы уравнений, называем методом ММ (обычно методом ММ называют метод решения уравнений квазистатического движения наноструктурыв настоящей работе к методу ММ относится и метод решения задач движения наноструктур по неявным схемам интегрирования уравнений движения из-за близости программной реализации этого метода к пошаговому интегрированию уравнений квазистатического деформирования наноструктур).

Метод молекулярной механики можно подразделить на два типа: классический метод ММ и метод молекулярной структурной механики (МСМ). В классическом методе ММ нелинейные законы взаимодействия атомов вводятся непосредственно в нелинейные уравнения квазистатического/динамического движения наноструктур [80], а в методе МСМ [51, 74] межатомные силы взаимодействия наноструктур моделируются силами, возникающими при деформациях фиктивных стержней, соединяющих атомы. Метод МСМ позволяет моделировать процесс деформирования наноструктур с помощью коммерческих пакетов вычислительных программ, реализующих метод конечных элементов, подбором типа стержневого элемента, модели материала и констант модели материала. Классический метод ММ для моделирования контакта наноструктур использовался в [28, 29, 30, 31, 36, 39, 50, 64, 85, 97, 113], а метод МСМ — в [1, 5, 17, 24, 52, 61, 76, 85, 87, 88, 89, 103, 104, 106, 107, 108].

В работе [100] проводится моделирование по растяжению, кручению и изгибу нанотрубки МКЭ с использованием уравнений ТПО. Результаты расчетов хорошо согласуются с результатами расчетов полученных методом ММ. В работе [29] обсуждается сравнение методов МДТТ и ММ. Метод МДТТ, по мнению авторов, является существенно «дешевым» по сравнению с методом ММ, так как не требует отслеживания положения каждого атома. Дискретизация уравнений движения наноструктуры проводилась с помощью МКЭ. Для вычислений по методу ММ применялся потенциал Терзофа-Бреннера в случае ковалентных связей, а в случае взаимодействий Ван-дер-Ваальса использовался потенциал Леннарда-Джонса. Также в [29] было отмечено преимущество использования уравнений МДТТ к деформированию наноструктур перед использованием метода ММ, которое состоит в выборе достаточно большего шага интегрирования уравнений движения наноструктуры без существенной потери точности решения. Однако применение метода МДТТ встречает некоторые трудности, такие, как выбор констант среды, а также определение анизотропии свойств среды, связанной с хиральностью нанотрубки, которые существенно влияют на результаты моделирования [111]. В [15, 16] показано, что размеры и форма нанокристалла вносят дополнительную анизотропию в его механические свойства. Дается оценка масштабных эффектов, возникающих при применении континуальной теории упругости к нанообъектам, а также обсуждается влияние масштабных эффектов при использовании метода молекулярной динамики для моделирования макроскопических объектов. В [18] вычисляются тензоры четвертого ранга, характеризующие упругие свойства кристаллической решетки графита, построенной на основе предлагаемой модели парного моментного взаимодействия между атомами углерода. Сравнение МД и МДТТ методов на примере синтеза ЬаСаАв/СаАв нанотрубки, а также границы применимости МДТТ метода приведены в [42]. Существует также и некоторый барьер в интерпретации результатов моделирования методом МДТТ, так как он нарушает дискретность расположения атомов в модели и визуализация результатов моделирования становится не столь очевидной по сравнению с методом и ММ и МД. В методах ММ и МД используется непосредственно дискретная природа наноструктуры, что позволяет визуально наблюдать качественную картину деформирования наноструктуры, а затем проводить детальный анализ процесса ее деформирования. Наглядность визуализации результатов моделирования методом ММ и МД становится особенно ощутимой когда наноструктура является объемной. Использование дискретной природы наноструктуры в ММ и МД методе позволяет уйти от ошибок дискретизации уравнений движения наноструктуры по пространству в отличие от метода МДТТ.

Целью работы является постановка задач квазистатического/динамического деформирования наноструктур, их контактного взаимодействия, развитие критериев потери устойчивости решений уравнений деформирования наноструктур, основанных на нелинейных уравнениях ММ, развитие процедур численного решения задач динамической потери устойчивости и контактного взаимодействия наноструктур, внедрение развитых критериев и процедур численного решения задач наномеханики в пакет РКЖЕП [65] и решение новых задач деформирования, выпучивания и контактных взаимодействий углеродных нанотрубок.

Основные задачи исследований:

— Разработать критерии потери устойчивости динамического деформирования наноструктур в нелинейной постановке.

— Разработать новый метод решения задач о контактных взаимодействиях гра-феноподобных наноструктур.

— Внедрить развитые процедуры численного решения задач динамической потери устойчивости и контактных взаимодействий наноструктур в пакет Р1(ЖЕ11.

— Автоматизировать процесс визуализации полученных с помощью пакета Р1(ЖЕ11 результатов математического моделирования деформирования углеродных нанотрубок.

— Получить решения новых задач квазистатического/динамического деформирования, выпучивания и контактного взаимодействия углеродных нанотрубок.

Методы исследования. Для решения задач квазистатического/динамического деформирования углеродных нанотрубок и их контактных взаимодействий используются нелинейные уравнения ММ. Пошаговое интегрирование по времени уравнений движения наноструктур осуществляется с использованием пакета РКЖЕЯ. Для пред/постпроцессорной обработки результатов численного решения задач квазистатического/динамического деформирования наноструктур созданы пакеты прикладных программ, взаимодействующие с пакетами РКЖЕЯ [65], MSC.Pan.tran 2010 [105] и УМБ [71].

Достоверность полученных в работе результатов определяется решением полных нелинейных уравнений ММ с итерационным уточнением решений до заданной величины методом Ньютона — Рафсона, использованием разработанных законов специалистами в области физики межмолекулярных взаимодействий, непротиворечием полученных решений задач с решениями других авторов.

В первой главе настоящей работы рассматриваются постановки нелинейных задач деформирования, потери устойчивости наноструктур и их контактного взаимодействияразвивается новый метод решения задач деформирования углеродных наноструктур, основанный на применении метода ММ решения уравнений квазистатического/динамического деформирования наноструктур, сочетающего элементы классического метода ММ и метода МСМ. При этом силы ковалентных и нековалентных взаимодействий атомов (при решении контактных задач и задач самоконтакта наноструктуры) определяются непосредственно из потенциалов Морзе и Леннарда-Джонса соответственно (элементы классического метода ММ), а изменение угла между соседними ковалентными связями определяется по деформации фиктивного стержневого элемента, как это принято в методе МСМ.

Метод МД, в силу своей простоты (для интегрирования уравнений движения наноструктур используется явная конечно-разностная схема), наиболее популярен среди исследователей, однако, при интегрировании уравнений движения наноструктур он в некоторых случаях использования требует слишком большого числа шагов по времени для удовлетворения условий устойчивости численного интегрирования, накладываемых на величины шагов во времени, что делает затруднительным моделирование продолжительного по времени процесса деформирования наноструктуры. Метод ММ, хотя и основан на более сложной (по сравнению с первой) схеме дискретизации по времени уравнений движения, можно использовать для интегрирования уравнений квазистатического/динамического движения наноструктур без ограничения по устойчивости решения на величину шага по времени.

В известных исследованиях по выпучиванию наноструктур, выполненных другими авторами с использованием методов МД [57, 73, 91, 102, 118, 135, 136, 138, 139, 140, 141, 142] и ММ [5, 17, 27, 28, 29, 30, 31, 39, 40, 63, 85, 107], критические значения параметров деформирования и формы выпучивания определяются, за редким исключением (в [107] используется линеаризованная теория устойчивости, когда для определения основного статического равновесного состояния используются линейные уравнения наномеханики, а критические нагрузки и формы выпучивания наноструктур определяются в точках бифуркации интегральной кривой основного состояния, получаемых из решения задачи по определению собственных значений/векторов), прямым интегрированием уравнений квазистатического/динамического деформирования этих структур либо с идеальным строением соответствующей атомной peшетки, либо со специально вводимыми возмущениями параметров наноструктуры (геометрии или нагрузок). Необходимо отметить, что при прямом интегрировании уравнений движения наноструктур для надежного определения критических значений параметров деформирования требуется проводить ряд решений одной и той же задачи с различными типами возмущений, что приносит неудобство в интерпретацию результатов решения. Например, в [27] получено, что при кручении нанотрубки без специального введения возмущений критический угол закручивания равен 15° (в этом случае возмущения в процесс деформирования трубки вносятся конечным представлением чисел в компьютере), а при введении возмущений этот угол получается равным 9.5°.

В настоящей работе представляется новый подход к определению критических значений параметров деформирования и форм выпучивания наноструктур, основанный на использовании критериев потери устойчивости решений нелинейных ОДУ на конечном интервале времени. Этот подход был развит для решения задач о выпучивании наноструктур в условиях квазистатического деформирования в [10, 78, 79, 81], а в настоящей работе этот подход распространяется и на решения динамических задач. Использование критериев выпучивания позволяет при решении задачи о деформировании только идеальной (без специального внесения возмущений в геометрические параметры или внешние силы) наноструктуры определить как критические значения параметров деформирования, так и формы выпучивания наноструктуры. Применение подобных критериев хорошо себя зарекомендовало при исследовании вопросов устойчивости деформируемых твердых тел [11] и использовалось автором настоящей работы при решении задачи о выпучивании углеродной нанотрубки, сжатой по оси [12, 82] и при решении задачи о кручению нанотрубки [2]. Метод ММ для достаточно широкого класса задач содержит информацию об устойчивости решения в свойствах матрицы касательной жесткости, определяемой при формулировке уравнений движения наноструктур в приращениях [10, 78, 79, 81, 82], т. е. статус фундаментального решения относительно устойчивости определяется непосредственно в процессе интегрирования уравнений квазистатического/динамического движения наноструктуры, без решения дополнительных задач по движению наноструктур с возмущенными параметрами (геометрии, внешних сил и т. д.). Показано, что использование критериев потери устойчивости позволяет определять критические углы закручивания и формы выпучивания углеродной нанотрубки при кручении, а также критические значения силы и перемещений торцов нанотрубки при осевом сжатии. В то же время метод МД позволяет проводить исследования по потере устойчивости динамических движений наноструктур только решением ряда дополнительных задач с возмущенными параметрами и последующим сравнением этих решений с фундаментальным решением.

Таким образом, у каждого из этих методов (МД и ММ) есть своя область эффективного приложения. В частности, оказалось полезным применение метода ММ к решению задач выпучивания наноструктур при квазистатическом/динамическом деформировании [2, 12, 78, 82].

Как при конструировании наноматериалов и нанообъектов, так и при изучении их эксплуатационных свойств полезно разработать математическую модель взаимодействия наноструктур (ы) при их (само)контакте при действии нековалент-ных межатомных сил. К нековалентным силам взаимодействия атомов относят силы Ван-дер-Ваальса (ВдВ) и др. [46, 92, 110, 115, 137]. В настоящей работе рассматриваются только силы ВдВ нековалентного взаимодействия атомов наноструктур.

При контакте наноструктур одновременно действуют два типа сил ВдВ взаимодействия атомов: отталкивания, действующих на коротких расстояниях, и притяжения, действующих на дальних расстояниях (некоторые авторы под силами ВдВ понимают только силы притяжения, см., например, [115]). Силы ВдВ принципиально отличают контакт наноструктур от контакта структур обычных размеров, так как они играют роль «естественного клея» и при сближении как различных наноструктур, так и различных частей одной и той же наноструктуры на некоторое расстояние, соответствующее балансу сил притяжения и отталкивания, они при контактной склейке приобретают новые качества. Типичными нанообъектами, в которых углеродные наноструктуры соединены («склеены») являются многослойные нанотрубки [24, 25, 29, 36, 85, 97, 107, ИЗ, 117, 141, 142), конфигурации нанотру-бок в виде колец [137], «теннисных ракеток» [116], нанотрубки с участками параллельных стенок [28, 64], соединение нанотрубок в конгломераты (узлы), образование полотна, «сотканного» из нанотрубок [31], соединение нанотрубок с полимерной матрицей, образующее композитный материал, обладающий высокой прочностью [5, 17, 37, 38, 61, 89, 108, 125], нанообъекты, составленные из нанотрубок с фул-леренами, находящимися внутри них [132] и т. д. «Склеивание» стенок нанотрубок при их кручении зафиксировано в экспериментах [62]. Следуя [26, 137], силы ВдВ, действующие между атомами разных супермолекул, назовем супрамолекулярными, а силы ВдВ взаимодействия атомов одной супермолекулы — интрамолекулярными.

Перед интегрированием уравнений квазистатического/динамического движения наноструктур вводится квадратная таблица (матрица) их возможного контакта. Заполненные внедиагональные элементы таблицы включают при интегрировании уравнений движения наноструктур проверку супрамолекулярных взаимодействий контактных пар наноструктур, а заполненные диагональные элементы таблицы —-проверку интрамолекулярных ВдВ взаимодействий (самоконтакт) наноструктур (ы). Аналогичная техника задания контактных таблиц используется в пакете MSC. Marc для решения нелинейных задач контакта сплошных тел с заранее неизвестной границей контакта [95]. Отметим, что в [5, 17] стержни, моделирующие возможные силы ВдВ взаимодействия атомов, задаются до начала интегрирования уравнений движения наноструктур, а в настоящей работе контактные связи атомов и контактные силы, действующие между атомами, определяются по некоторым критериям (см. п. 4) вступления наноструктур в контакт в процессе интегрирования уравнений движения наноструктур.

Развитый алгоритм контактных взаимодействий наноструктур апробируется на решении новой задачи о контакте двух нанотрубок, когда в начальный момент процесса интегрирования одна нанотрубка неподвижна, а вторая нанотрубка налетает на первую с заданной начальной скоростью. В зависимости от величины этой скорости получено три качественно разных решения этой задачи. Этот же алгоритм применен для решения новой задачи о сжатии двухслойной нанотрубки. Показана важность определения самоконтакта нанотрубки для предотвращения взаимного проникновения стенок трубки при математическом моделировании процесса контакта нанотрубок.

Защищаемые научные результаты:

— Разработка критериев потери устойчивости динамического деформирования наноструктур.

— Разработка метода решения задач о контактных взаимодействиях наноструктур.

— Построение алгоритмов численного решения задач потери устойчивости и контакта наноструктур и их внедрение в пакет PIONER.

— Развитие алгоритмов и пакетов прикладных программ по взаимодействию пакета PIONER с пакетами VMD и MSC. Patran 2010 для визуализации деформированных конфигураций, форм выпучивания и собственных колебаний нанотрубок.

— Решения новых задач квазистатического/динамического деформирования, выпучивания и контактного взаимодействия наноструктур.

Апробация работы и публикации. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на:

— Международной конференции «Fracture Mechanics in Design of Fracture Resistent Materials and Structures» (ICF 2007) (Москва, 2007 г.).

— Международной конференции MicroNanoReliability 2007 (Берлин, 2007).

— V-й Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2008 г.).

— Конференции «Проблемы нелинейной МДТТ» (Пермь, 2008 г.).

— Международной молодежной научной конференции «XXXV гагаринские чтения» (Москва, 2009 г.).

— Международной молодежной научной конференции «XXXVI гагаринские чтения» (Москва, 2010 г.).

— XXXVIII-й Международной конференции «Advanced Probleme in Mechanics» (Санкт-Петербург, 2010 г.).

— 18-й Европейской конференции ECF18 «Fracture Materials and Structures from Micro to Macro Scale» (Дрезден, 2010 г.).

— ICAMI2010 International Conference on Applied Mathematics and Informatics (Сан-Андрее, Колумбия, 2010 г.).

— Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики и процессов управления» (Владивосток, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в [2, 3, 9, 12, 82], в том числе 3 статьи [2, 3, 9] опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Выводы по главе 3.

Представлены результаты компьютерного моделирования деформирования, выпучивания и контакта углеродных паиотрубок. Основные выводы по результатам компьютерного моделирования можно сформулировать следующим образом:

• При внезапном приложении нагрузки критическое время динамической потери устойчивости УНТ, сжатой по оси, зависит от величины зтой силы: чем больше приложенная сила, тем меньше критическое время выпучивания УНТ.

• При внезапном приложении нагрузки динамическая потеря устойчивости УНТ, сжатой по оси, происходит при значениях этой силы, меньшей, чем в статическом анализе или при достаточно растянутом во времени приложения этой силы с постоянной скоростью в динамическом анализе.

• При достаточно растянутом во времени приложении сжимающих сил с постоянной скоростью критические нагрузки и формы выпучивания УНТ, полученные в точках квазибифуркации, близки к нагрузкам и формам, полученным в точках бифуркации.

• До точки квазибифуркации «возмущенные» решения близки к фундаментальному решению.

• Чем больше величина возмущения, тем ранее по времени «возмущенное» решение динамической задачи отклоняется от фундаментального решения и тем ближе по времени к точке квазибифуркации происходит «срыв» движения колебательного типа в движение дивиргентного типа.

• Для «короткой» и «средней» УНТ, сжатой по оси, реализуются формы выпучивания оболочки.

• Для «длинной» УНТ, сжатой по оси, равновесные конфигурации полученные в решении статической задачи совпадают с формами выпучивания, полученными в этих точках, для различных типов «возмущающих» нагрузок. Реализуемыми формами выпучивания для решений без «возмущений» являются формы выпучивания оболочек, а формами выпучивания для решений с «возмущениями» различного типа являются формы выпучивания стержней.

• Показано, что учет нековалентных сил взаимодействия противоположных участков стенок нанотрубок оказывает существенное влияние на равновесные конфигурации закритического деформирования при кручении УНТ.

• Задача контакта двух УНТ решена в динамической постановке. Показано что: тип ударного взаимодействия существенно зависит от скорости соударения нанотрубокпри относительно невысокой скорости соударения происходит «прилипание» нанотрубок из-за действия сил ВдВпри увеличении скорости соударения нанотрубок происходит их разлет из-за действия нековалентных сил отталкиванияучет нековалентных сил взаимодействия противоположных участков стенок нанотрубок предотвращает их самопересечение.

Заключение

.

В диссертации получены следующие основные результаты:

• Получены критерии потери устойчивости динамического деформирования наноструктур.

• Развиты процедуры численных решений задач динамического выпучивания наноструктур, основанные на решении нелинейных уравнений методом молекулярной механики.

• Процедуры численного решения динамических задач выпучивания наноструктур внедрены в пакет РКЖЕЫ.

• Разработан и реализован в пакете Р1СЖЕ11 алгоритм решения задач о контакте/самоконтакте графеноподобных наноструктур в нелинейной постановке.

• С помощью пакетов прикладных программ МБС. Ра^ап и УМБ автоматизирован процесс построения наноструктур, визуализации результатов компьютерного моделирования деформирования и выпучивания наноструктур, полученных с использованием пакета Р1(ЖЕ11.

• Получены решения новых задач о деформировании и выпучивании углеродных нанотрубок при их сжатии и кручении.

• Получены решения новых задач о контакте двух углеродных нанотрубок.

Автор искренне благодарен научному руководителю С. Н. Коробейникову за постоянное внимание к работе и неоценимую помощь, В. В. Алехину за помощь в разработке алгоритмов и их внедрение в пакет Р1(ЖЕ11. Автор благодарен проф. В. М. Корневу и А. Л. Куперштоху за обсуждение результатов вошедших в настоящую работу, а также д.г.-м.н., О. П. Полянскому, член-корр. РАН Б. Д. Аннину, акад. РАН В. В. Ревердатто за оказание финансовой поддержки в представлении результатов настоящего исследования на международных и всероссийских конференциях.