微纳米尺度下材料性能多尺度模拟方法进展

微纳米材料的力学行为正日益引起研究者的关注.微纳米材料的性能取决于从微观、细观到宏观多个空间、时间尺度上不同物理过程非线性耦合演化的结果,发展相应的多尺度数值模拟方法已成为该领域研究工作的一个热点.本文对微纳米材料模拟中比较典型的几种协同多空间尺度和协同多时间尺度方法进行了介绍,着重介绍这些方法的的基本思想、应用情况, 以及各自的优缺点,并对微纳米材料多尺度方法的发展趋势进行总结和评述.      

Nb3Sn超导线圈力学性能精确分析的双向均质化方法

Nb₃Sn超导磁体运行时产生很高磁场, Nb₃Sn超导线圈会受到很强电磁体力的作用, 从而会产生很大的力学应变. 由于Nb₃Sn超导材料的应变敏感性, 会使得Nb₃Sn磁体线圈的临界性能退化, 这对磁体的安全稳定运行造成极大影响, 所以精确计算超导磁体在电磁体力下的力学行为具有重要的科学意义. Nb₃Sn超导磁体主要是由超导线绕制成线圈结构再经过环氧树脂固化而成, Nb₃Sn超导线是主要由多根微米级的超导芯丝、铜形成的复合结构, 所以从超导芯丝到超导磁体其尺寸跨越了几个数量级, 从而给精确分析超导线圈力学变形带来挑战. 本文首先采用代表性单元均质化方法分析了整体线圈的等效力学参数, 通过对比等效均质化模型与线圈真实结构的计算结果, 发现等效均质化模型存在很大的误差. 因此, 提出一种高精度而且计算代价低的双向均质化分析方法, 研究超导线圈内各组分材料(Nb₃Sn芯丝、铜和环氧树脂)应力-应变分布. 该方法不需要进行大规模的数值建模, 并且与真实复合线圈下的结果对比吻合很好, 由此验证了该方法的有效性和准确性. 最后基于提出的双向均质化分析方法, 详细讨论了Nb₃Sn超导线圈各层材料在电磁力作用下应力-应变随匝数和层数的变化规律.      

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...     

晶体位错尺寸效应的多尺度分析

本文采用准连续介质多尺度方法,分析了面心立方（fcc）晶体铝阶梯孪晶界在不同尺寸情况下（试件尺寸长高比从1：1到8：1）受剪切作用的晶界变形。了解在不同尺寸下,晶界结构位错的成核过程,得到了大试件比值与小试件比值下作用力与应变的关系曲线及不同试件尺寸下应变能的变化曲线。其中随着试件比值的增加,作用力在应变比较小的时候变化情况相似,但当应变达到3％以后,呈现出明显的不同;应变能随试件长高比的增大而减小,各个试件在各自不同的加载阶段,应变能变化趋势同作用力变化趋势相一致。本计算揭示了不同尺寸下阶梯孪晶界在剪切作用下的微观机理,证实其尺寸效应性质。     

水蒸汽驱动高聚物形状记忆效应的力学模拟

部分形状记忆高聚物在相对湿度较高的环境中会从其临时形状恢复到永久形状,这种效应被称之为水蒸汽驱动形状记忆效应.由于不需要升高温度就可实现形状恢复,水蒸汽驱动的形状记忆效应在多个领域都有着潜在的应用价值.本文拟建立一个热-力-化学多场耦合的理论模型来模拟非晶态高聚物的水蒸汽驱动形状记忆行为.该理论模型采用自由体积的概念来模拟玻璃态转变,采用Fick定律来模拟水蒸汽在高聚物基体中的扩散行为.相关有限元模拟结果表明,该模型能定性地描述文献中观察到的恢复温度、相对湿度以及溶剂分子扩散速度对形状恢复行为的影响,也能模拟复杂变形条件下水蒸汽驱动的形状记忆效应.     

鼓泡流化床中流动特性的多尺度数值模拟

鼓泡流化床因其较高的传热特性以及较好的相间接触已经被广泛应用于工业生产中,而对鼓泡流态化气固流动特性的充分认知是鼓泡流化床设计的关键.在鼓泡流化床中,气泡相和乳化相的同时存在使得床中呈现非均匀流动结构,而这种非均匀结构给鼓泡流化床的数值模拟造成了很大的误差.基于此,以气泡作为介尺度结构,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,构建了适用于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型.结合双流体模型,对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动特性进行了模拟研究,分析了气泡速度、气泡直径等参数的变化规律.研究表明,与传统的曳力模型相比,考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系是一条分布带,建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系.通过模拟得到的颗粒浓度和速度与实验的比较可以发现,考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果.通过A类和B类颗粒的鼓泡床模拟研究发现,A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著.      

水蒸汽驱动高聚物形状记忆效应的力学模拟

部分形状记忆高聚物在相对湿度较高的环境中会从其临时形状恢复到永久形状,这种效应被称之为水蒸汽驱动形状记忆效应。由于不需要升高温度就可实现形状恢复,水蒸汽驱动的形状记忆效应在多个领域都有着潜在的应用价值。本文拟建立一个热-力-化学多场耦合的理论模型来模拟非晶态高聚物的水蒸汽驱动形状记忆行为。该理论模型采用自由体积的概念来模拟玻璃态转变,采用Fick定律来模拟水蒸汽在高聚物基体中的扩散行为。相关有限元模拟结果表明,该模型能定性地描述文献中观察到的恢复温度、相对湿度以及溶剂分子扩散速度对形状恢复行为的影响,也能模拟复杂变形条件下水蒸汽驱动的形状记忆效应。     

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.     

多尺度材料模拟的自适应有限元方法研究

研究了材料模拟中一类新型耦合多尺度的自适应有限元方法. 采用微观分子动力学耦合宏观有限元的桥尺度方法来模拟材料破坏的前期行为,其中宏观有限元计算推广到了一般非结构三角形网格. 材料破坏形成后,停止微观尺度的计算,它的进一步发展和演化通过一个宏观模型来描述,采用自适应有限元方法来求解这一宏观模型. 其中,后验误差估计的基础是变分多尺度理论,即自适应网格加密是基于粗尺度上残差分布和细尺度上单元Green's函数. 计算中采用了破坏准则来模拟材料的断裂. 数值实验表明了方法的有效性.      

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。     

EFFECT OF MAGNETIC NANOPARTICLES ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF TYPE-II SUPERCONDUCTORS

In this paper, the effect of magnetic nanoparticles on the mechanical properties of a type-II superconductor is investigated both theoretically and numerically. Magnetic part of the pinning force associated with the interaction between a finite-size spheroidal magnetic inclusion and an Abrikosov vortex is calculated in the London approximation. It is found that the size and shape of magnetic nanoparticles result in different enhancements of vortex pinning in large-κtype-II superconductors. Meanwhile, the screening current induced by a magnetic spheroid suffer the action of Lorentz force, which will lead to prestress in the superconductor, so further numerical calculations are needed to explore the interaction between the spheroidal magnetic particle and superconductor. The distribution of displacement, stress and strain in the superconductor are finally obtained. It is shown that different sizes and shapes of nanoparticles also can change the distributions of these quantities.     

晶粒的取向和变形性质对双晶体循环变形影响的模拟研究

应用晶体细观力学方法，分析了双晶体循环变形过程中组元晶粒取向及其变形性质（Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应和循环硬化）的影响，发现双晶体的反向屈服及循环硬化行为为主要由组元晶粒性质支配，晶间内应力的影响是次要的，晶粒取向对宏微观应力应变行为有重要的影响，取向对称性较弱或罗硬差别较大的双晶体晶界影响较大。     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.      

温度影响下砂岩的细观破坏及变形场的DSCM表征

通过扫描电镜(SEM)实时在线观察研究了温度影响下砂岩的细观破坏,观察到砂岩的脆性断裂可同时发生在不同地方、不同矿物可能独立承载和裂纹分叉等现象. 温度低于100°C时,主裂纹附近有许多微裂纹和支裂纹发生;而温度超过150°C之后,表面很少出现支裂纹或二次裂纹. 随着温度的升高,砂岩的断裂韧性有先升高后降低的趋势,150°C左右是断裂韧性变化的临界温度. 随着温度的升高,砂岩的细观断裂机制有由脆性机制向延性机制转变的趋势,抵抗和协调变形的能力都得到增强. 细观尺度下砂岩的破坏机制有沿颗粒断裂、穿颗粒断裂及其混合断裂,其中沿颗粒断裂机制占主导地位,这是由于沿颗粒破坏需要消耗较少的能量,而穿颗粒断裂需消耗较多的能量. 利用数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)对SEM下砂岩破坏的细观变形场进行了测量,这表明利用DSCM表征岩石的局部变形场的连续式测量是可行的.      

胞体椭球比对泡沫塑料力学性能的影响

本文通过数值法研究了胞体椭球比对材料模量及泊松比的影响；在单向受力情况下，研究了变形对材料孔隙度、椭球比、杨氏模量和泊松比等材料参数的影响。     

高应变率下TiC_P/Ti复合材料的动态拉伸性能

采用旋转盘式杆-杆型动态拉伸试验机对TiCP颗粒增强钛基复合材料及其基体钛合金的动态拉伸性能进行了研究.同时为了比较,在MTS810试验机上做了两种材料的准静态试验.试验结果表明,复合材料及基体材料屈服后至材料的迅速失效,几乎没有应变硬化效应;复合材料的抗拉强度和屈服强度较基体明显提高,但延性明显下降;钛合金基体和复合材料均有明显的应变率强化效应,但复合材料的应变率强化效应明显高于基体;建立了复合材料率相关的本构关系.最后从位错等微观角度分析了复合材料的强化机理、复合材料的应变率敏感性以及复合材料应变率敏感性高于基体的原因.     

聚合物在高应变率下的动态力学性质实验研究

介绍了利用一种新型的落重和高速摄影实验系统对三种常见的聚合物（ＰＣ,ＰＥＫ和ＰＥＥＫ）在高压应变率下的力学性质的研究结果。所使用的实验系统在常规落重装置的基础上,增加了高速摄影系统,实现了应力和应变过程的同时测量。从而使得在一次实验中可同时获得应力和应变数据,避免了这类实验中常用的变形过程中体积不变的假设,使得结果更加可靠,并可验证材料的泊松比。给出了上述三种聚合物在常温下的真应力与自然应变的关系。结果表明,在室温下,当应变率约为１０００ｓ－１时,这三种材料的屈服应力分别为１２８ＭＰａ,２０４ＭＰａ,和１８０ＭＰａ。三种材料均具有很好的冲击韧性,断裂应变均在５０％以上。对不同环境温度下,ＰＥＥＫ的实验结果表明,随温度的增加,屈服应力将下降。     

EFFECTS OF SI,N AND B DOPING ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF GRAPHENE SHEETS

Molecular dynamics(MD) simulations were performed to stretch the rectangular graphene sheets doped with silicon, nitrogen or boron atoms. Young's modulus, ultimate stress(strain) and energy absorption were measured for the graphene sheets with the doping concentration(DC) ranging from 0 to 5%. The emphasis was placed on the distinct effects of each individual dopant on the fundamental mechanical properties of graphene. The results indicated that incorporating the dopants into graphene led to an almost linear decrease in Young's modulus. Monotonic reductions in ultimate strength, ultimate strain and energy absorption were also observed. Such doping effects were found to be most significant for silicon, less pronounced for boron, and small or negligible for nitrogen. The outputs provide an important guidance for the development and optimization of novel nanoscale devices, and facilitate the development of graphene-based M/NEMS.     

THE EFFECTS OF COD BONE GELATIN ON TRABECULAR MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF CANCELLOUS BONE

Osteoporosis is a common clinical complication of post-menopausal women and the elderly and can significantly complicate the severity of bone fragility. The purpose of this study is to investigate how cod bone gelatin administration influences trabecular biomechanical properties after ovariectomy. Both biomechanical properties and trabecular microarchitectures were evaluated for cancellous bone samples from female ovariectomized rats, which were either shamoperated or treated with marine peptide(0.75, 1.5, 3.0, 6.0 g/kg body weight) for 90 days. The results have confirmed that cod bone gelatin treatment is effective in the prevention of mechanical property loss by preserving bone mass and trabecular architecture.     

微米/纳米尺度的材料力学性能测试

针对如何定量测定纳米、微米尺度及低维材料的力学性能,叙述了采用当今先进观测手段,结合设备特点和力学分析技术来评价材料的硬度、弹性模量、屈服应力、抗蠕变及抗疲劳性等力学性能的测试方法．