论文部分内容阅读
确切表征纳-微米尺度材料和结构的纳米力学行为是工程技术界关注的一个前沿问题，也是纳-微米力学学科发展的基础。耦合的分子/集团统计热力学(Hybrid Molecule/Cluster Stastical Thermodynamics，HMCST)方法，以统计热力学和固体物理的理论为基础，将原子系统分区域采用集团表象和原子表象进行描述，并实现了两种表象的光滑连接。HMCST方法能够有效模拟纳-微米尺度材料在有限温度下的准静态变形。
本文在课题组所提出的HMCST方法的基础上，针对原有方法固定原子区域和集团划分的不足，发展了集团自适应细化和集团/原子区域自适应转换的分子/集团统计热力学方法，取得了以下成果：⑴利用EAM势，对三维的纳米压痕问题进行了分子统计热力学(Molecule Stastical Thermodynamics，MST)模拟。在弹性阶段，MST所得的载荷随压入深度的变化趋势与Hertz弹性接触理论符合较好，拟合得出的单晶铜压入模量MST得到的位错结构也与晶体理论相符。⑵基于局部最优位移梯度的思想，发展了原子表象中滑移剪切变形的计算方法，MST的模拟结果表明，采用滑移剪切变形能够准确找到即将发生滑移的区域。⑶将原子表象的滑移剪切变形的计算方法推广到了集团表象，建立了以集团滑移剪切变形为基础的集团细化准则，建立了集团细化方法以及细化后的网格重构方法。建立了基于集团临界尺寸的从集团表象到原子表象的切换准则。以这些准则为核心，建立了自适应的分子/集团统计热力学(Self-adaptive Molecule/Cluster Statistical Thermodynamics Method,SMCST)方法。⑷用自适应方法对一系列典型的变形问题进行了模拟，并与MST方法和集团统计热力学方法(Cluster Statistical Thermodynamics，CST)进行了比较。通过这些算例充分证明了自适应方法的有效性和计算的高效性。⑸用所发展的自适应分子/集团统计热力学方法模拟了纳米深压痕(二维)问题中材料硬度与压入深度的变化关系。我们发现：针尖的几何形貌和表面接触方式对材料硬度的影响仅仅局限在压入的起始阶段。在中间阶段，硬度表现出尺寸效应。在压入较深的阶段，硬度值都趋于一个恒定值。