【摘要】：材料的變形及失效過程涉及到多個(gè)尺度下的耦合作用,僅用宏觀尺度下的方法難以準(zhǔn)確地描述材料的變形及失效機(jī)理,因此需要開展各個(gè)尺度下的研究。本文主要采用分子動(dòng)力學(xué)微觀模擬方法研究了模型尺寸、裂紋長度、溫度和加載應(yīng)變率對(duì)單晶納米鋁板強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展的影響及其微觀機(jī)理;采用多尺度分析(分子動(dòng)力學(xué)+有限元)方法建立了從納米尺度到宏觀尺度二維金屬銀板裂紋擴(kuò)展的多尺度數(shù)值模擬模型;采用第一性原理方法對(duì)分子動(dòng)力學(xué)勢(shì)函數(shù)擬合開展了探索性研究,計(jì)算了鋯鈷合金勢(shì)函數(shù)擬合中晶體結(jié)構(gòu),形成熱,結(jié)合能和彈性常數(shù)等參數(shù),并從納觀電子角度討論了元素?fù)诫s對(duì)鋯鈷合金宏觀力學(xué)性能和儲(chǔ)氫性能的影響。本論文具體安排如下:第1章為緒論,主要介紹了材料變形及失效在不同尺度下的研究意義、現(xiàn)狀和主要方法,以及多尺度數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀。第2章介紹了分子動(dòng)力學(xué)方法和第一性原理方法的基本理論,以及常見的多尺度連接方法。第3章利用分子動(dòng)力學(xué)方法詳細(xì)分析了模型尺寸、溫度、應(yīng)變率和裂紋長度對(duì)含有中心裂紋單晶鋁強(qiáng)度和微觀機(jī)理的影響。第4章基于分子動(dòng)力學(xué)與有限元耦合的方法,建立了單晶銀板斷裂的二維模型,并通過文獻(xiàn)驗(yàn)證了該模型的科學(xué)性和可行性。第5章,對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬所需要的勢(shì)函數(shù)進(jìn)行了探索性研究,計(jì)算了分子動(dòng)力學(xué)勢(shì)函數(shù)模擬所需要的參數(shù),并討論了其中的微觀機(jī)制。第6章,對(duì)全文進(jìn)行總結(jié),并對(duì)今后的研究內(nèi)容和方法提出展望。運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了含有中心裂紋的單晶鋁板在拉伸載荷作用下的裂紋擴(kuò)展過程,分析了模型尺寸、裂紋長度、溫度和應(yīng)變率對(duì)單晶鋁板強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展的影響。隨著模型尺寸、裂紋長度和應(yīng)變率的增加,單晶鋁板的塑性屈服點(diǎn)提前,塑性屈服極限應(yīng)力減小,材料的塑性變形能力增強(qiáng);但溫度對(duì)單晶鋁板的強(qiáng)度影響較小,與文獻(xiàn)結(jié)果符合良好。材料的力學(xué)性能具有尺寸依賴性,隨著模型尺寸增大,材料的屈服應(yīng)力減小,屈服點(diǎn)提前,斷裂韌性提高。在彈性階段,材料變形與體系內(nèi)部原子的點(diǎn)缺陷和面缺陷相關(guān);在塑性變形階段,材料變形與位錯(cuò)增殖和滑移相關(guān)。裂紋尖端處應(yīng)力集中是裂尖附近晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生相變的原因,能量在相變后釋放導(dǎo)致應(yīng)力松弛所致。采用分子動(dòng)力學(xué)和有限元數(shù)值方法相結(jié)合來研究單晶銀板Ⅰ型邊裂紋跨連續(xù)介質(zhì)/原子尺度的擴(kuò)展過程,提出了一種以應(yīng)力強(qiáng)度因子傳遞連續(xù)介質(zhì)區(qū)應(yīng)力邊界信息,以位移為參量連接連續(xù)介質(zhì)區(qū)與離散原子區(qū),有限元與分子動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的多尺度分析方法。通過該方法中的模型參數(shù)和材料與文獻(xiàn)中的參數(shù)保持一致,該模擬結(jié)果與理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符,證明了該方法的合理性。采用基于密度泛函理論的第一性原理方法計(jì)算了鋯鈷儲(chǔ)氫合金勢(shì)函數(shù)擬合所需要的晶體結(jié)構(gòu),形成熱,結(jié)合能和彈性常數(shù)等參數(shù),并基于緊縛式理論和能帶理論討論了Ti、Hf置換摻雜鋯鈷儲(chǔ)氫合金(Zr_8Co_8)后的晶體結(jié)構(gòu),彈性常數(shù)和電子結(jié)構(gòu)的影響�；谀軒Ю碚�,從納觀電子角度出發(fā),分析了元素?fù)诫s對(duì)鋯鈷合金在宏觀尺度下儲(chǔ)氫性能和力學(xué)性能的影響。
【圖文】：

圖 2.1 Verlet 算法演繹過程 Velocity-verlet 算法，對(duì)式(2-4)進(jìn)行變換，以 2δt 更換 δt，可以得到：2221( 2 ) ( ) ( + ) ( )( )2!i i i id dt t t t r t t t r t t tdt dtr + δ =r+ δ δ δ + + δ δ+

圖 2.2 Velocity-verlet 算法演繹過程對(duì)比 Verlet 方法，Velocity-verlet 方法具有計(jì)算速度較快，，且計(jì)算精度也較，故本文選用該方法進(jìn)行求解牛頓運(yùn)動(dòng)積分方程。2 分子動(dòng)力學(xué)模擬的系綜
【學(xué)位授予單位】：重慶理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG111

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2602965