粗糙表面接触的层级模型

真实的材料加工表面的粗糙度往往跨越了多个尺度。本研究建立了一种新的粗糙表面层级接触模型。对于较大尺度部分，截断过滤短波长的粗糙度，然后运用连续介质力学的方法计算出相应的近似接触面积和局部压力的分布；对于较小尺度部分，本研究基于分形理论，利用二维Cantor集来描述层叠的短波长微凸峰，然后对在较大尺度得到的近似接触面积进行细化修正，计算出了最终的接触面积。为了验证所建立的模型，将得到的整体接触响应与有限元法计算结果进行了比较。结果表明，该模型能够充分预测粗糙表面的弹性接触响应，而且大大降低了多尺度粗糙表面接触力学建模的计算规模。这对进一步研究跨尺度粗糙表面之间的接触和摩擦具有重要意义。     

微/纳尺度粘着滑动接触的多尺度分析

采用分子动力学与有限元耦合的多尺度方法,求解二维刚性圆柱表面压头与弹性平面的微/纳尺度粘着滑动接触问题,通过与全分子动力学模拟结果的比较验证了多尺度方法的有效性。对压头半径、滑动速度、下压深度以及是否考虑粘着效应等对滑动接触性能的影响进行了全面研究,通过不同条件下摩擦力及接触力分布的比较,揭示了上述各参数对粘着滑动接触...     

生物与仿生材料表面微纳力学行为

评述了国内外在生物材料表面微纳力学行为研究方面的若干分支,包括:生物材料的疏水特性、水面昆虫的浮水力学、生物材料表面的减阴特性、生物材料吸附与脱附微纳力学行为、以及表面疏水和吸附仿生材料的制备与应用,并注重分析了在微纳尺度上生物结构、生物材料、生物生存技能与生存需求等方面的多功能自然协同进化和优化.     

微电子机械系统中的若干固体力学问题

简述了微电子机械系统若干固体力学问题研究的现状，包括：微构件材料的基本力学性能；微构件的力学分析与计算；微系统的失效分析研究；微系统的驱动等，并阐述了微系统力学问题中涉及的表面效应和尺度效应，提出了微系统多类型力作用，多种因素交叉，多学科耦合，非线性突出的特点和研究方向。     

Au纳米颗粒织构化表面的黏着和摩擦学行为研究

利用自组装技术在单晶硅(100)面制备了Au纳米颗粒织构化表面(nanoparticle-textured surfaces,NPTS),采用原子力显微镜(AFM)和UMT-2MT摩擦磨损试验机考察了Au纳米颗粒织构化对表面微/纳尺度黏着与摩擦性能的影响机理.结果表明:在颗粒堆积密度较低的表面,接触力学符合连续接触力学模式;在颗粒堆积密度较高的表面,形成多峰接触,有效地减少了接触面积,降低了黏着和摩擦.与光滑硅表面相比,组装时间为3.0 h的Au纳米颗粒织构化表面的黏着力降低了77%,在试验载荷为7 nN时,其摩擦力降低了42%.     

微/纳器件粗糙表面间弯月面力及黏着力计算

微/纳器件表面微观粗糙结构间由于液体介质而引起的弯月面力和黏着力是导致器件精度降低乃至失效的主要原因之一。通过建立微/纳米尺度上球面-平面接触的物理模型,基于Young-Laplace方程和Reynolds润滑理论,分析得到粗糙表面接触分离过程中弯月面力和黏着力的计算公式。在此基础上,计算得到接触表面分离过程中的弯月面形状变化规律,并分别讨论了固体表面分离距离、液滴初始弯月面高度、固体表面润湿性能和分离时间等因素对弯月面力和黏着力的影响。研究结果为微/纳米表面抗黏着机理提供了理论依据。     

含弱界面的微纳尺度双层梁的热弹性分析

众多微尺度实验已经证实了一些材料在微纳尺度下的力学行为具有尺寸效应.这种现象采用经典的弹性理论无法得到合理的解释,因而需要新的理论,修正偶应力理论就是其中一种.采用修正偶应力理论研究微纳尺度下两端自由铁木辛柯双层梁受热载荷后的弯曲响应,考虑两层之间存在弱界面.获得了梁的挠度、曲率以及界面剪力等表达式,并与经典弹性力学的结果进行了比较.通过分析计算可知,采用修正偶应力理论可预测微纳尺度下双层梁的尺寸效应,而当梁的特征尺寸远大于其材料的内禀尺度时,则与经典理论的结果一致.     

固体的统计细观力学——-连接多个耦合的时空尺度

从固体力学所面临的新的挑战------多物理、多尺度耦合及其现状的描述开始, 以层裂 过程为例, 说明了这些多尺度非平衡问题的基本困难在于, 在固体中不同尺度上有不同的微 结构层次及不同的演化物理和速率. 接下来, 概述了一些针对这一困难的独特的思路及 其成果. 第3部分强调了一些统计平均方法的范式, 以及处理包含多个时间和空间尺度的问 题的新思路, 特别是非平衡损伤演化导致宏观失效的问题. 在第4部分, 简要评述了一些连 接多个空间和时间尺度的细观力学框架, 如位错理论, 物理细观力学, Weibull理论, 随机 理论等, 并且阐述了其中蕴含的跨尺度耦合的机理. 然后, 在第5部分, 回到了描述损 伤演化过程的框架, 也就是统计细观损伤力学以及它的跨尺度封闭近似. 基于这些跨尺度框 架, 在第6部分, 对控制跨尺度耦合的可能机理进行了评述和比较. 由于对失效时灾变 的洞察与跨尺度强耦合紧密相关, 一些非平衡和强相互作用的新概念在第7部分进行了讨 论. 最后, 以一个简短的总结和一些建议结束.     

固体力学跨尺度计算若干问题研究

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。（1）建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度（200 nm~10 μm）晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;（2）建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;（3）通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。     

基于分子动力学-格林函数法的微凸体接触数值分析

表面接触是摩擦的先决条件,其真实接触面积、压应力大小、空间分布等一直是接触力学关注的核心问题.采用分子动力学-格林函数法(GFMD)模拟粗糙面的接触过程,验证了其在大规模接触分析中的高效及准确性,同时探讨了由微球体组成的粗糙面的接触力学特性,并分析了分子尺度下的结果和传统力学模型计算结果的差异.结果表明,单个微凸体接触结果和分子动力学-格林函数法模拟所得非常接近,误差在5%以内.数值模拟发现,在微凸体高度符合高斯分布的情况下,接触面积和接触力成线性关系;在相同接触面积下,微凸体模型得出的接触力偏高,是上限值.微凸体模型没有考虑微凸体间的相互影响,实际是高估了弹性体的刚度;实际接触过程中微凸体相互影响,微凸体对临域形变影响尤其大,使接触区域更加离散.GFMD模型可以准确计算数十亿量级别分子、原子接触过程中真实接触面积及分布,为后续摩擦、滑移等分析提供可靠的参考.     

Contact mechanics of rough surfaces: a comparison between theories

In this paper the authors briefly review the most important theories of contact mechanics between randomly rough surfaces. The multiasperity contact theories are here shown under a unifying point of view and compared with the more recent approach developed by Persson. In particular we focus on the relation between the applied load and separation, which is fundamental in many engineering applications as seals, lubrication and wear. We found that the difference between the multiasperity contact models and Persson’s theory is not only quantitative, as in case of area-load linearity, but also qualitative. A brief comparison with existing experiments and numerical calculations shows that Persson’s predictions should be more accurate.     

上随体流体驻点附近滑移流动的同伦解析解

从理论上研究了上随体Maxwell流体在滑移流区的动量传输问题.通过一系列相似变换把控制方程组转化为常微分方程组,利用同伦分析法首次求得了问题的近似解析解. 获得的同伦解析解与文献中的数值解吻合较好. 利用同伦解分析讨论了滑移参数、磁场强度、速度比例参数、吸入喷住参数和流体黏弹性参数对流动的影响.      

多尺度复合材料力学研究进展

多尺度复合材料力学是运用多尺度分析思想研究空间分布非均匀材料力学性能的学科, 近年来,多 组分、多层级先进材料的蓬勃发展和微纳米实验观测手段的不断进步,有力地推动了该学科的研究,论文围绕非均 匀材料力学性能的多尺度分析,首先从微纳米尺度到宏观尺度综述了常用的理论分析方法;接着分别针对非均匀 连续介质和离散体系介绍了常用的多尺度计算模拟方法;然后结合本课题组在纳米复合材料、抗冲击吸能材料、随 机网络材料和多层级自相似材料等方面的研究工作,举例说明了如何综合运用多种方法对各种复杂材料系统进行 多尺度分析;最后,展望了该领域还需进一步发展和完善的若干方向。     

纳米力学的数值模拟方法

纳米力学是一支新兴学科，主要研究100nm以下尺度上物质的行 为和变化规律.物质在纳米尺度上所具有的特殊效应如量子效应、微尺 度效应等导致了其特异的性能和行为.人们对纳米力学行为的认识，目 前主要通过试验观测和数值模拟等方法.本文概要回顾了分子动力学模 拟、蒙特卡罗模拟等纳米力学计算方法的研究进展及现状，提出了以 量子力学为基础、多学科交叉、多层次融合发展纳米力学研究方法的构 思，并对纳米力学研究方法所面临的问题及其发展趋势做了初步展望.     

四元数的一种新的代数结构

在四元数力学的数学方法研究中，首次引入了友向量的概念，借助四元数的复表示方法，进一步研究了四元数力学中的系列数值计算问题，给出了相应问题的简单计算和论证方法，建立起了一套四元数力学的简单数学方法。     

Reduced augmented Lagrangian bi-conjugate gradient method for impact-contact problems

To avoid the numerical oscillation of the penalty method and non-compatibility with explicit operators of conventional Lagrange multiplier methods used in transient contact problems to enforce surface contact conditions, a new approach to enforcing surface contact constraints for the transient nonlinear finite element problems, referred to as “the reduced augmented Lagrangian bi-conjugate gradient method (ALCG)”, is developed in this paper. Based on the nonlinear constrained optimization theory and is compatible with the explicit time integration scheme, this approach can also be used in implicit scheme naturally. The new surface contact constraint method presented has significant advantages over the widely adopted penalty function methods and the conventional Lagrangian multiplier methods. The surface contact constraints are satisfied more accurately for each step by the algorithm, so the oscillation of numerical solution for the explicit scheme is depressed. Through the development of new iteration strategy for solving nonlinear equations, ALCG method improves the computational efficiency greatly. Project supported by State Education Commission Doctoral Foundation and Natural Science Foundation of Liaoning Province.     

A new efficient numerical method for contact mechanics of rough surfaces

In this work, a numerical method has been developed to investigate the adhesionless contact mechanics between rough surfaces. To solve the elastic problem a boundary elements approach is used with self-equilibrated square elements. The domain of integration is discretized developing an “intelligent” adaptive mesh and obtaining a considerable memory saving. The numerical convergence of the method has been verified by comparing the results with the Hertzian solution and by checking the stress probability distribution at the contact interface. The methodology has been then utilized to analyse the contact between an elastic flat substrate and a periodic numerically generated self-affine fractal rigid surface. The fractal surface has been generated by employing spectral methods. The results of our investigation supports the findings of some analytical theories (Persson, 2001) and numerical findings (Yang et al., 2006, Hyun et al., 2004, Carbone and Bottiglione, 2008, Campana and Muser, 2007) in terms of linearity between contact area and load and stress probability distributions.     

On elastocapillarity: A review

Elastocapillary phenomena involving elastic deformation of solid structures coupled with capillary effects of liquid droplets/films can be observed in a diversity of fields,e.g.,biology and microelectromechanical systems(MEMS).Understanding the physical mechanisms underlying these phenomena is of great interest for the design of new materials and devices by utilizing the effects of surface tension at micro and nano scales.In this paper,some recent developments in the investigations on elastocapillary phenomena are briefly reviewed.Especially,we consider the deformation,adhesion,self-assembly,buckling and wrinkling of materials and devices induced by surface tensions or capillary forces.The main attention is paid to the experimental results of these phenomena and the theoretical analysis methods based on continuum mechanics.Additionally,the applications of these studies in the fields of MEMS,micro/nanometrology,and biomimetic design of advanced materials and devices are discussed.     

数值流形方法及其在岩石力学中的应用

数值流形方法是目前岩石力学分析的主要方法之一.该方法起源于不连续变形分析,主要用于统一求解连续和非连续问题,其核心技术是在分析时采用了双重网格:数学网格提供的节点形成求解域的有限覆盖和权函数;而物理网格为求解的积分域.数学网格被用来建立数学覆盖,数学覆盖与物理网格的交集定义为物理覆盖,由物理覆盖的交集形成流形单元.流形方法的优点在于它使用了独立的数学和物理网格,具有和有限元明显不同的定义形式,且数学网格对于同一问题不同的求解精度的需求可以很方便地细化.由于该方法考虑了块体运动学,可以模拟节理岩体裂隙的开裂和闭合过程,因而在岩石力学中得到了广泛应用,近年来许多学者对该方法进行了研究.本文简要叙述了节理岩体的数值方法从连续到非连续的发展过程,详细地介绍了数值流形方法的组成和数值流形方法在岩石力学及其相关领域的研究和发展概况,最后就作者所关心的一些问题,如三维问题的数值流形方法、数值流形方法在物理非线性问题和裂纹扩展问题中的应用、相关的耦合方法等进行了探讨.