纳构件力学特性的分子动力学仿真

论文摘要

随着纳米科技的发展,加工精度不断向纳米级和原子级迈近,由于微纳构件尺寸的微小化,将导致构件本身的微观效应和多物理场耦合效应,微纳构件将表现出许多与宏观尺寸构件截然不同的性质。同时在微纳构件的设计和使用时必须要考虑由于加工制造工艺所产生的微观缺陷、残余应力等因素对微纳构件力学特性和使用性能的影响。然而大多数情况下,难以在试验条件研究微纳材料的力学性能,因此有必要利用计算机技术模拟纳尺度下材料的力学性能。本文首先采用分子动力学方法模拟了纳米铜棒刻划的过程,从刻划后纳米铜棒的形貌变化及刻划过程中能量、切削力的变化、截面应力分布等方面分析了工件变形机理和已加工表面的形成过程。同时模拟了不同刻划深度对刻划过程的影响。仿真结果表明:刻划过程中的位错及其运动引起了能量和切削力的剧烈变化,且刻划后已加工表面有明显的弹性恢复。随着刻划深度的增加切削力和能量增加的速度也变大。其次,采用分子动力学方法模拟了理想纳米铜棒拉伸过程,分析了不同应变率与截面尺寸对拉伸性能的影响,并对刻划后铜棒的拉伸过程进行模拟,分析不同刻划深度下铜棒的拉伸性能,实现了纳米加工和力学特性一体化的模拟研究。结果表明:纳结构的拉伸过程也分为弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性变形阶段近似服从胡克定律,塑性变形阶段与宏观有很大差别。应变率对弹性变形没有影响,但对屈服强度、塑性变形有影响。随着截面尺寸的增加,弹性模量变大,屈服应力及相应的屈服应变减小。刻划后铜棒的弹性模量增加,屈服强度降低,刻划深度对屈服强度也有重要影响。随着刻划深度增加,屈服强度下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 纳米科技的发展
• 1.1.2 计算机模拟技术
• 1.2 课题来源及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 微纳构件加工过程的分子动力学仿真研究
• 1.3.2 微纳构件力学特性的分子动力学仿真研究
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 分子动力学方法
• 2.1 分子动力学基本原理
• 2.2 原子间势函数的选取
• 2.2.1 对势
• 2.2.2 多体作用势
• 2.3 分子动力学模拟的基本技术
• 2.3.1 几何模型的建立
• 2.3.2 初始条件
• 2.3.3 边界条件
• 2.3.4 系统的控制方法
• 2.3.5 时间积分算法
• 2.3.6 时间步长
• 2.4 本章小结
• 第3章 纳米铜棒刻划过程的分子动力学仿真
• 3.1 模型的建立与模拟细节
• 3.1.1 模型的建立
• 3.1.2 原子间相互作用势
• 3.1.3 模拟技术细节
• 3.1.4 物理量单位的标度
• 3.1.5 纳米铜棒刻划过程仿真计算流程图
• 3.2 弛豫过程分析
• 3.3 刻划过程及分析
• 3.3.1 形貌结构变化分析
• 3.3.2 能量分析
• 3.3.3 切削力分析
• 3.3.4 截面应力分析
• 3.4 不同深度刻划过程比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 纳米铜棒拉伸过程的分子动力学仿真
• 4.1 宏观拉伸下铜的力学性能
• 4.2 纳米铜棒拉伸过程模拟
• 4.2.1 建模与模拟过程
• 4.2.2 模拟结果分析
• 4.3 不同参数拉伸过程模拟
• 4.3.1 应变率对纳米铜棒拉伸性能的影响
• 4.3.2 截面尺寸对纳米铜棒拉伸性能的影响
• 4.4 刻划后铜棒的拉伸性能
• 4.4.1 刻划后铜棒拉伸模拟过程及结果分析
• 4.4.2 不同刻划深度对拉伸性能的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢