纳米压痕过程的三维有限元数值试验研究

采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程，三维有限元模型考虑了纳米压痕仪的标准Berkovich压头．介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材料特性与加载方式，讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响，进行了计算结果与标准试样实验结果的比较，证实了模拟的可靠性．在此基础上，重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响．对比分析了尖端曲率半径r＝0与r＝100nm两种压头的材料压痕载荷—位移曲线．结果表明，当压头尖端曲率半径r≠0时，基于经典的均匀连续介质力学本构理论、传统的实验手段与数据处理方法，压痕硬度值会随着压痕深度的减小而升高．     

纳米压痕法研究PZT压电薄膜的力学性能

PZT压电薄膜的力学性能如弹性模量、硬度等对于MEMS器件的结构设计、结构响应特性、服役性能等尤为重要。薄膜材料由于尺寸效应、表面效应等的作用，力学性能与宏观块体材料有显著差异。本文用纳米压痕法获得了PZT压电薄膜的弹性模量和硬度，考察了基底的影响，分析了退火时间对于其力学性能的影响，以及硬度和压入深度之间的压痕尺度效应。     

纳米压痕法确定金属间化合物力学性能的研究

利用 SMT 全自动回流焊机和高温恒温试验箱制备出经2次回流焊时效处理20天的Sn-0.7Cu/Cu 焊点试件;采用纳米压入法对其焊点金属间化合物力学性能进行了测试,根据Oliver-Pharr算法,利用接触刚度连续测量技术得到了该化合物（IMC）的杨氏模量及硬度,其硬度为6.43GPa,明显大于同种工况下Cu（2.29GPa）和Sn-0.7Cu（0.32GPa）的硬度;与此同时利用有限元分析软件 ANSYS 对纳米压入过程进行了反分析,结果表明：与理想弹塑性模型相比,线性强化弹塑性模型能够更准确地描述IMC层的力学本构关系,其初始屈服应力0σ和切线模量EΤ分别为0.90GPa和14.5GPa。     

自组装膜纳米压痕的分子动力学模拟

研究了金探针对沉积在金 (111)表面的 CH3 (CH2 ) 1 5S自组装膜的纳米压痕的分子动力学模拟 .结果表明 ,自组装膜在金探针的作用下出现了跳跃接触现象 ,倾角和法向载荷都出现明显的滞后 ,并进一步表明与探针和膜之间的粘着力有关     

分子沉积膜纳米压痕过程的分子动力学模拟

在利用联合原子模型并考虑静电力作用的基础上，采用分子动力学模拟方法研究了金探针作用下分子沉积膜的纳米压痕过程，并对其纳米力学行为进行了理论分析．结果表明，分子沉积膜在探针压下过程中出现了明显的接触跳跃现象，探针下面的膜的分子倾角和法向载荷呈现出相同的滞后趋势，这可能是探针和分子沉积膜之间粘着力作用的结果．     

纳米压痕中位错运动的原子模拟

利用分子动力学方法模拟研究了金刚石压头压入Ni薄膜(111)晶面的纳米压痕过程中薄膜进入初始塑性后的纳观机制,采用中心对称参数(CSP)研究不同压入深度时薄膜内部的位错的萌生和生长情况.结果表明:压痕力-压痕深度曲线的每一次的剧烈的振荡,都是一次能量释放的过程,在薄膜内部的位错生长也最剧烈.加载过程中,压入深度为0.66nm时出现位错(层错),压入深度为0.93nm时出现明显的位错形核,随着压入深度的增加,多个位错形核相互作用形成梯杆位错.压入深度为1.4nm时,梯杆位错旁出现了棱柱形不全位错环,随着压入深度的增加,棱柱形不全位错环沿着{111}滑移面运动.在最大压入深度处,薄膜塑性形变达到最大.     

FCC铝纳米压痕的多尺度模拟

采用准连续介质方法模拟面心立方(FCC)铝单晶薄膜在纳米压痕下产生的变形过程.分别用四种不同的压头宽度,得出载荷-位移响应曲线和应变能变化曲线,发现压头宽度越大,晶体产生塑性变形的临界载荷越大;临界载荷的大小和采用能量理论预测的大小基本一致;模拟过程中,观察到位错成核现象,了解到载荷-位移响应曲线的突降是由位错成核现象所引起,四种情况中压头载荷的降幅大致相同;最后分析了模型在原子层次下的变形机理.     

含缺陷双层石墨烯的纳米压痕模拟研究

石墨烯具有独特的力学、电学性能,被誉为是具有战略意义的新材料,具有广泛的应用前景. 目前生产的石墨烯含有各种缺陷,相较于完美石墨烯,其仍有较大应用价值. 因此有必要研究和掌握缺陷对石墨烯性能的影响,以便在目前的生产技术下,推动其工业化应用. 采用Tersoffff 势来模拟C—C 共价键的相互作用,Lernnard-Jones 势来模拟非成键碳原子之间相互作用力,基于分子动力学模拟了金刚石压头压入含缺陷双层石墨烯的纳米压痕过程,讨论了Lernnard-Jones 势函数的截断半径最佳值以及得到了典型的载荷-位移曲线. 重点探讨了Stone-Thrower-Wales、空位(包括单空位和双空位缺陷) 以及圆孔缺陷当位置不同和数目不同时对石墨烯力学性能的影响. 得出结论:薄膜中心存在缺陷时,破坏强度下降幅度特别明显. 空位缺陷在压头半径范围内存在时,临界载荷与缺陷与薄膜中心的距离成线性关系;缺陷数目越多,其杨氏模量、破坏强度等就越低. 圆孔缺陷数目在压头范围外达到一定浓度后会使石墨烯的力学性质显著降低. 本文结论也说明石墨烯结构稳定,对小缺陷不敏感,缺陷石墨烯仍具有较好的性能和使用价值.      

水化硅酸钙纳米压痕分子动力学模拟方法优化

针对水化硅酸钙纳米压痕模型忽视了压头与基底之间相互作用的问题,由尺寸差异引起的金刚石压头难以计算的问题,以及Wittmann模型无法得到实际接触面积的问题,提出了新的模型与计算方法．结合分子动力学方法,采用金刚石压头-Wittmann模型基底的组合方式构建无定形态水化硅酸钙纳米压痕试验模型．在建模阶段,考虑到压头模型与基底模型粒子间尺寸差异,提出了等比例替换模型,通过公式推导并就不同尺寸模拟结果验证了等比例替换模型的可行性．在计算阶段,提出了局部前处理的弛豫方法进行模拟．确定最大荷载位置处的接触面积为546 nm2,进而求出水化硅酸钙模型硬度H为0.84 GPa、折合模量Er为30.52 GPa．并通过纳米压痕试验,验证了模拟结果的准确性,证明了模型的科学性,对今后水化硅酸钙(C-S-H)纳米层面的模拟具有重要借鉴意义．     

纳米压痕残余应力场拉曼光谱实验研究

本文采用纳米压入仪在晶向为〈111〉和〈100〉的两种单晶硅片表面压入1000nm,卸载后得到深度约为550~570nm的压痕。使用共聚焦显微拉曼光谱仪对压痕周边区域进行测量,采用场扫描成像技术得到了压痕周边拉曼频移、半高宽、峰强等拉曼信息,通过分析由频移求得残余应力场的分布。在实验的基础上讨论了残余应力场的分布,以及晶向对应力场分布的影响,近似给出了压痕边缘最大压应力与微裂纹尖端最大拉应力。对其他拉曼信息的分析表明,半高宽和峰强信息与材料晶格结构的变化相关,在一定程度上也可以反映残余应力的作用。     

FINITE ELEMENT SIMULATION OF GUST LOADING

In the structural design of civil aircraft the critical loads are often those encountered in a gust or atmospheric turbulence. The traditional ‘indicial’ solution is restricted to a simple plate. In this paper a finite element formulation is proposed for an aerofoil or arbitrary shape entering a uniform sharp-edged or sinusoidal gust. The thin rotational gust front and wake in an irrotational flow field are successfully modelled by a novel superposition technique. The finite element solutions are compared with the Kussner function and results by other numerical methods. The agreement is good.     

THREE-DIMENSIONAL FINITE ELEMENT SIMULATION OF TOTAL KNEE JOINT IN GAIT CYCLE

Based on CT scanning pictures from a volunteer＇s knee joint, a three-dimensional finite element model of the healthy human knee joint is constructed including complete femur, tibia, fibular, patellar and the main cartilage and ligaments. This model was validated using experimental and numerical results obtained from other authors. The pressure distribution of contact surfaces of knee joint are calculated and analyzed under the load action of ‘heel strike＇, ‘single limb stance＇ and ‘toe-off＇. The results of the gait cycle are that the contact areas of medial cartilage are larger than that of lateral cartilage; the contact force and contact areas would grow larger with the load increasing; the pressure of lateral meniscus is steady, relative to the significant variation of peak pressure in medial meniscus; and the peak value of contact pressure on all components are usually found at about 4570 of the gait cycle.     

流体饱和多孔介质的动力学Gurtin型变分原理和有限元模拟

基于多孔介质理论,在两相不可压和小变形的假设下,建立了流体饱和弹性多孔介质的动力学Gurtin型变分原理,并导出了以此变分原理为基础的有限元离散公式.由于Gurtin型变分原理是卷积型的空间积分泛函,空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分-积分方程组.在一般条件下,该积分-微分方程组可转化为对称的微分方程组,这组方程有别于标准Galerkin有限元的非对称离散方程组.作为数值例子,分析了流体饱和弹性多孔介质中一维纵向波的传播和反射,其结果进一步揭示了饱和多孔介质中波的传播特性.     

GURTIN VARIATIONAL PRINCIPLE AND FINITE ELEMENT SIMULATION FOR DYNAMICAL PROBLEMS OF FLUID-SATURATED POROUS MEDIA

Based on the theory of porous media,a general Gurtin variational principle for theinitial boundary value problem of dynamical response of fluid-saturated elastic porous media isdeveloped by assuming infinitesimal deformation and incompressible constituents of the solid andfluid phase.The finite element formulation based on this variational principle is also derived.Asthe functional of the variational principle is a spatial integral of the convolution formulation,thegeneral finite element discretization in space results in symmetrical differential-integral equationsin the time domain.In some situations,the differential-integral equations can be reduced to sym-metrical differential equations and,as a numerical example,it is employed to analyze the reflectionof one-dimensional longitudinal wave in a fluid-saturated porous solid.The numerical results canprovide further understanding of the wave propagation in porous media.     

离散颗粒流动堆积行为离散元模拟及实验研究

工程应用中存在许多颗粒流动堆积问题.首先设计了一系列测量方法,通过大量的实验和统计分析,得到了颗粒的多种物理参数.并以工程中高炉炉顶称量料罐为背景,采用离散元方法模拟不同物理条件下离散颗粒的流动堆积行为,得出料罐内颗粒系统中颗粒之间力的分布不均匀,而且强力链分布主要与料罐的左下壁方向平行.同时,设计并制作了具有多参数调节的离散颗粒料罐实验模型,进行了相应的物理实验,实测结果与数值模拟吻合良好.     

有限元程序自动生成系统及有限元语言

本文介绍了最近发展起来的应用软件的一个新方向——有限元语言和有限元程序自动生成系统。有限元语言是一种比目前的算法语言更高层次的语言。人们采用有限元语言和自动生成系统很容易编写有限元程序,可大大缩短有限元的编程时间,原来需要数月甚至数年才能完成的有限元程序,可望在数天内完成。最后展望了有限元语言对有限元的应用和发展所带来的影响。      

板材成形有限元数值模拟的研究进展

本文以不同时期引起人们广泛注意的标准考题１）为主要线索，对板材成形有限元数值模拟的发展作了简要的综述．并讨论了研究中仍存在的问题和研究的发展方向．     

梯度塑性的有限元分析及应变局部化模拟

对梯度塑性连续体提出了一个有限元方法．内状态变量的Ｌａｐｌａｃｉａｎ的确定基于它在求积点邻域的最小二乘方多项式近似．具体地考虑了具有一点求积和Ｈｏｕｒｇｌａｓｓ控制特点的基于胡海昌－Ｗａｓｈｉｚｕ变分原理的混合应变元和单元平均意义下的ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ屈服准则．解析地导出了梯度塑性下一致性单元切线刚度矩阵和速率本构方程的一致性积分算法．在所建议的非局部化途径中求积点的一致性条件在非局部化意义下逐点精确满足．数值例题表明所提出的非经典连续体的有限元方法求解应变局部化问题的有效性     

开式压力机床身有限元分析与结构优选

分析了开式压力机床身的结构特点,然后介绍了应用有限元法对七式压力机床身进行结构分析时的力学模型简化方法,并结合若干工程实例,对开式压力机床身进行身进行了有限元分析与结构优选,取得了既减轻床身重量、又提高强度和刚度的显效果,为结构的合理设计与改进提供了可靠的理论依据。