高聚物/金属界面力学行为的多尺度模拟开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1国内外研究现状

在目前的工程研究中，基于连续介质力学的有限元模拟手段应用十分广泛，也能够准确的预测出固体、流体在多种状况下常规的力学性质，可是这些材料的宏观特性往往是各种微观性质如晶粒、晶界、孔隙、杂质和点阵缺陷等的统计平均效应[2]，而这些微小尺度下的形貌特征常常被人们所忽略。也正因如此,基于连续介质假定的宏细观力学无法清晰的认识在原子尺度下的缺陷行为[3]。正如理查德·费曼的精彩演说[1]，在小尺度下合成、控制材料，可以更深刻的把握物体宏观属性的本质，进而创造出性能优异的新型材料。因此为了预测现有材料在服役过程中的各种力学行为或发展出更新型的材料，有必要在连续介质力学的基础上对材料的多项不同尺度进行耦合分析研究，如空间尺度上的微观——介观——宏观，以及时间尺度上的皮秒——微秒——毫秒等，发展出这样一套多尺度方法是一项极有挑战性的领域[4]。 从多尺度进行各种力学性质的分析目前的主要工作有：嵌入统计耦合方法[19]（escm）、直接进行宏微观双尺度耦合分析[9]、从介观尺度下粗粒化分子动力学（coarse-grained molecular dynamics）入手宏细观尺度分析[10]、结合微观/细观/宏观的多尺度分析[13]等不同的着眼点。以下对前两种方法稍作介绍：嵌入统计耦合方法即在作用区域使用分子动力学方法计算，在定义出的作用区域以外使用有限元方法划分网格，两个区域之间之间是一块边界区域，使用统计力学计算，作为分子动力学与有限元法各自的边界条件[11]；双尺度耦合分析中的一种是基于内聚力模型分析材料的破坏，利用分子动力学方法计算精确的材料相关的内聚力参数，将数值代入有限元分析软件，最终预测出真实的材料破坏结果[12]。 为了进行材料的多尺度分析，首先可以从微观尺度模拟开始着手，目前被人们广泛使用的是分子动力学方法。这一工作最早源自20世纪五六十年代，如alder和wainwright在硬球模型下研究气体与液体在微观尺度下的状态方程[5]。此方法率先采用牛顿运动方程积分将材料原子简化为质点，采用质量守恒（原子数守恒）的原理，计算各个原子在各微时刻下的位置、速度等[6]，这便是分子动力学（molecular dynamics，md）的基本思路。由于分子动力学方法需要对整个模拟体系中的原子进行大量的计算，因而后来发展出了各种结合效率与精度的算法，从而可以用微观统计来获得各种宏观量。随着计算机运算能力和算法效率的提高，现在人们已经利用这一方法模拟了包括金属体系、溶液体系、高聚物体系[7]、生物体系[8]等等不同的复杂问题，体系中的原子数量也越来越大，甚至原子个数达到千万级。然而，由于计算量随着原子数的增长而迅速增大，想要直接使用分子的动力学方法来分析宏观甚至细观力学性质也显得有点不切实际，目前来看仍需与更大的时空尺度，如介观尺度相耦合。

1.2本研究的目的及意义

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容与目标

首先从文献调研的基础上得出金属铜用于计算所需的势函数文件、弛豫参数、温度与压力控制条件等等[18]，接下来模拟其常规的热力学性质与微尺度结构性质，如其最小稳定的晶格状态等，为了将来对水进行研究的推广，也可能要模拟出水的晶态几何性质；接着，对铜施加拉伸、压缩与剪切应变，得到各项宏观参数如泊松比、杨氏模量、剪切模量等，分析形成这些宏观参数的微观过程[14]；然后，分析各种动态载荷及应变率对铜的力学性能的影响[16]；最终，结合分子动力学手段提出一种微裂纹扩展的微观模型，探讨这种方法在更大的尺度上的可扩展性。

2.2拟采用的技术方法

3. 研究计划与安排

1-4周：学习分子动力学的基础理论，模拟铜的各常规热力学性质与几何结构

5-9周：对铜进行各项常规力学性能模拟，主要考察在不同缺陷下的力学性质，如空位、晶界等

10-12周：对所得结果，特别是应变率、裂纹扩展方面进行推广，并整理论文

4. 参考文献（12篇以上）

[1]feynmanrp.there'splentyofroomatthebottom.thetranscriptoftheclassictalk,firstpublishedinthefebruary1960issueofcaltech'sengineeringandscience,aviliableonthewebat:

http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html.

[2]吴恒安.纳米尺度下结构和材料力学行为的分子动力学模拟研究[d].合肥:中国科学技术大学,2002.