纳米材料力学行为的原子尺度模拟研究

对几何尺寸极小的纳米材料而言,数值模拟是与实验测试同样有效的研究手段, 而且,当材料特征尺寸更小、缺乏可用的测试系统时,数值模拟可能是唯一的方法.介绍了近年来纳米材料力学行为的原子尺度数值模拟研究方面的若干新进展,重点综述了采用分子动力学模拟与第一原理计算对纳米材料的晶格不稳定性、理想强度、界面断裂、碳纳米管的力电特性和铁电纳米材料的力电特性等问题的研究结果.总结介绍了纳米材料原子尺度模拟中一些实用的计算策略和方法,并提出了若干需要进一步研究的问题.      

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.      

原子尺度断裂模拟进展

材料/结构的断裂是一个多尺度过程,绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂,因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响.随着实验技术的飞速进步,高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹,而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具.在本综述文章中,首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法,包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载,并综合对比了上述加载方法的适用范围,然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法,包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法.随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构,非晶结构,异质界面结构)断裂行为模拟研究,例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片.这些研究结果揭示了实验现象背后的机理,同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性.最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战,并对将来...     

泡沫铝弹性接触静力学行为的多尺度模拟

对泡沫铝的宏、细观组织结构,基于MC方法建立与材料制备工艺相应的数值模型,作为多尺度模拟的前提.通过计算模拟和统计分析大量数值试样的力学性能,得到了不同制备工艺制得的泡沫铝的弹性模量的分散性特点.借鉴代表性体积单元方法(RVE)和完全多格方法(FMG)的思想,采用基于"巨原子"模型的多尺度关联方法,并以简化的物理势场描述巨原子问的关系,设计了原子-巨原子-有限元多尺度算法.通过算例探讨了与理想刚性平面接触时,泡沫铝接触表面的应力集中情况.     

城市大气环境的大涡模拟研究进展

本文回顾城市大气污染扩散的研究实践与进展, 介绍城市大气环境流动的特点和用现代计算流体力学手段开展城市大气环境的大涡模拟研究方法, 包括: 数学模型, 控制方程、亚网格湍流模式、定解条件及其数值方法. 其中, 重点介绍中尺度到微尺度的耦合模型与适用于复杂城市下垫面(满足大涡模拟分辨率要求且计算量较小)的组合模型;并给出实际算例和结果分析, 包括准确度的统计估算和湍流特性等. 最后, 讨论城市大气环境数值模拟方法进一步改进的方向和城市大气环境流动与污染物扩散数值研究应重点关注的几个问题.     

多尺度模拟与计算研究进展

简要介绍了多尺问题与研究方法.重点论述了两类常见多尺度问题的模拟计算方法与研究进展,分析了各自的优缺点和使用范围.对现有研究的局限性和存在的问题进行分析,指出了进一步研究多尺度模拟与计算的必要性.介绍了求解含有孤立缺陷问题的非局部准连续体法,MAAD等方法以及求解基于微观模型本构模拟问题的局部连续体法、HMM等方法.文章对多尺度模拟与计算的前景进行展望,提出了一些亟待解决的问题.     

钨塑性变形与断裂行为及其辐照效应的研究综述

金属钨具有独特的力学特性和物理化学特性,是核能、航空航天、微机电系统等领域广泛应用的结构材料.钨在服役条件下的变形和断裂行为是影响其服役状态的关键因素之一.但是,钨的塑性变形和断裂表现出异于其它金属材料的力学行为,比如,屈服强度表现出非施密特效应和拉压不对称性,断裂韧性低且具有各向异性、尺寸效应和温度效应,等等.这些特性与钨的位错特性、晶界特性、晶粒尺寸、晶粒取向等微结构紧密相关.辐照条件下高能粒子与钨原子的相互作用会引起其微观组织结构的变化,形成的位错、位错环等辐照缺陷导致钨的辐照硬化和辐照脆化,揭示钨微结构与力学行为之间的物理关系、研究辐照对钨力学行为的影响机制成为近年来关注的热点.论文围绕钨的塑性变形和断裂行为及其辐照效应,从实验、理论、模拟三个方面综述研究者们在原子尺度、位错尺度、单晶尺度、多晶宏观尺度取得的研究成果;最后,对钨力学行为研究方面的重要问题做出展望.     

微/纳尺度接触问题计算方法研究进展

接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,近来随着微/纳米技术的不断发展,接触力学在基础理论和研究方法上面临许多新的挑战.本文在摩擦学的范畴内,对近年发展的若干求解微/纳尺度接触问题的计算方法及理论进行了综述.按发展先后及所解决问题的尺度范围划分,主要有3类评估微/纳尺度接触性能的计算方法:(1)连续介质力学方法;(2)分子动力学模拟; (3)多尺度方法.介绍了这3类计算方法的典型理论和主要数学描述,给出了这些方法对解决若干微/纳观接触问题如黏着效应、粗糙表面描述、表面摩擦及润滑、表面热效应、生物接触等的主要应用.最后, 探讨了微/纳尺度接触问题计算方法可能的发展方向及应用领域.      

基于LBM的壁湍流跨尺度能量传递结构统计

壁湍流不同尺度间能量传输特性存在着明显的各向异性, 了解能量不同尺度间传递的空间分布是进一步构造高保真各向异性大涡模拟亚格子模式的前提. 基于格子Boltzmann数值(lattice Boltzmann method, LBM)模拟方法对雷诺数$Re_{\tau } =180$的槽道湍流进行直接数值模拟. 结果与公开的槽道湍流数据库进行对比, 平均速度剖面、雷诺应力和脉动速度均方根均取得了较好的一致性, 验证了LBM方法模拟槽道湍流的可靠性. 对模拟后的数据采用空间滤波方法得到不同尺度间能量交换量的空间分布场, 结合结构识别捕捉方法——聚类分析法对不同尺度间能量传输结构的空间分布特性进行了分析. 结果表明尺度间能量传输结构在全流场物理空间中主要为小尺寸结构, 结构的体积概率密度呈现出$-$4/5幂律, 按结构距壁面最小距离以结构距壁面距离又可将结构划分为附着结构和分离结构, 其中附着结构以较小的数量占比达到了较高的体积占比, 表明附着结构多为大尺寸结构, 进一步的对附着结构的统计表明结构在尺寸上存在着一定的幂律关系, 表明不同尺度间能量输运结构也具有Townsend提出的附面涡的自相似性, 最后对能量正反传附着结构的成对特性研究发现, 能量正传$\!-\!$反传结构对倾向于沿展向并排排列.      

非均质材料动力分析的广义多尺度有限元法

自然界和工程中的大部分材料都具有多尺度特征,当考察尺度小到一定程度后,都将表现出非均质性.针对非均质材料的动力问题,提出了一种广义多尺度有限元方法,其基本思想是利用静态凝聚法以及罚函数法构造能够反映单元内部材料非均质特性的多尺度位移基函数.与传统扩展多尺度有限元法中的基函数构造方式不同,广义多尺度有限元法的基函数无需通过在子网格域上多次求解椭圆问题得到,而可直接通过矩阵运算获得.其主要步骤如下:利用数值基函数将一个非均质单胞等效为一个宏观单元,进而形成整个结构的等效刚度矩阵,并得到宏观网格的节点位移,最后再次利用数值基函数得到微观尺度上的位移结果.该广义多尺度有限元法是扩展多尺度有限元法的一种新的拓展,可模拟具有更加复杂几何的非均质单胞的力学行为.通过数值算例,模拟了非均质材料的静力问题、广义特征值问题以及瞬态响应问题,计算结果表明:在边界条件一样的情况下,广义多尺度有限元法的计算结果与传统有限元的计算结果保持高度一致.与传统有限元相比,该方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率.研究结果表明,广义多尺度有限元法能够很好地模拟非均质单胞的力学行为,具有良好的工程应用潜力.      

液化场地桩基侧向响应分析中p-y曲线模型研究进展

采用非线性Winkler地基梁模型分析侧向液化土-桩相互作用所面临的首要难题是液化土p-y曲线的确定.因此较全面地阐述了液化土p-y曲线模型的国内外研究历史、现状与重要成果,对获得液化土p-y曲线不同试验手段的典型试验作一简明分析,并概括了桩基侧向响应分析中常用的液化土p-y曲线.液化土p-y曲线的模型研究国外已取得不少很有价值的科研成果并开始用于桩基设计中,而国内才刚刚起步且以试验研究为主,基于这个事实,提出了对曲线模型研究的若干建议与认识,为曲线模型研究提供一些技术思路.液化土p-y曲线模型研究水平的提升将推动我国发展基于变形的液化场地桩基桥梁抗震设计方法.      

液化地基中桩的破坏机理研究进展

地震诱发的地基液化对桩基础的破坏极大,液化地基中桩的破坏机理是岩土地震工程中的一个重要研究课题。目前地基液化时桩—土—结构系统的地震性态尚没有认识充分,已有的研究内容较多局限于桩身材料的强度破坏方面,难以考虑液化土体侧向流动、基桩屈曲失稳、以及土与结构动力相互作用等复杂因素的影响。本文重点加强以下3个方面的深入探讨和研究:(1)液化地基中桩的屈曲失稳;(2)液化地基中桩基破坏的数值模拟新方法;(3)液化地基中桩-土-结构的动力相互作用分析。     

建筑场地地震液化危害评价及地基处理

本文分析了地基失稳，计算震陷值及差异震陷等地基失效形式和液化土层的隔震作用，研究了液化指数、地基失效、液化土层隔震与多层房屋震害的关系，根据液化土的双重作用原理划分了液化危害等级，并提出了建筑场地地震液化危害评价方法和按“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗液化处理原则。     

液化土侧向扩展对具有轴向力单桩的变形影响

将地震液化场地土层分为表层的非液化土层,中部的液化土层以及底部的基础层,利用表层的非液化土层的土压力和液化土层及基层的Winkler模型,采用拟静力分析方法,建立了考虑上部结构对桩基产生的轴力和液化土侧向扩展共同作用下单桩水平变形的简单Euler梁模型,给出了问题的解析封闭解.计算结果与实验结果吻合较好,说明了封闭解的合理性.在此基础上,分析了各种参数对桩基变形响应的影响,结果表明:相比于液化土层的侧向扩展位移,桩的抗弯刚度、液化土层刚度以及轴力等参数对桩基力学性能具有较大影响,这些结果可以为工程设计提供一定的参考依据.     

黄河水下三角洲硬壳层特征及其液化过程研究

为揭示黄河口水下三角洲硬壳层的土性特征和风浪作用下的液化破坏状况,选择典型研究区,在现场利用普氏贯入仪测试硬壳层的强度特征,原位取1m原状样进行室内土工试验;利用重锤锤击荷载板的方式模拟波浪对硬壳层的动力作用,通过孔压探头和普氏贯入仪实时监测土体内孔压和振动前后强度的变化;通过理论计算研究硬壳层在不同风浪等级下的液化深度。通过研究发现,（1）硬壳层土体基本上处于超固结状态,且超固结比随深度增加而减小,大王北和刁口地区硬壳层强度约是新滩和广利港的两倍,离河口近的地区强度的变异系数比远的地区要大;（2）根据孔压随振次的变化关系,现场土体在振动过程中,孔压的增长经历了4个阶段,即初始阶段、增长阶段、稳定阶段和衰减阶段,且表层土体达到液化,深层的未液化;（3）大王北硬壳层在6~10级风浪下的平均液化深度仅为7~11cm,新滩和广利港硬壳层在6~10级风浪作用下的液化深度达32~42cm。强度高的硬壳层液化深度小,低的液化深度大,这种液化深度的差异性造成了地貌上的凹凸不平。     

分层总和法在有承台单桩非线性分析中的应用—变形总和法

本文运用弹性半空间无限体的明德林理论和浅基础中的分层总和法，对桩土间滑动采用刚塑性模型，分析了桩－台－土相互作用的机理，并对带台单桩的工作性态较详尽的对比及分析。通过与某实际工程试桩资料比较，理论计算Ｐ－Ｓ曲线与试桩Ｐ－Ｓ曲线基本吻合，证明了本文计算方法的正确性，计算及分析结果对桩基的设计和研究有较大的参考价值。     

黄河三角洲粉质土的动模量和阻尼比试验研究

结合室内共振柱和动三轴实验,对黄河三角洲饱和原状粉质土体(粉土、粉砂、粉质粘土)动模量和阻尼比的影响因素和发展规律进行了详细的研究。研究表明,在粉粒和粘粒含量对动模量的共同影响中,粉粒含量起着举足起重的作用;侧限压力对归一化剪模比和阻尼比的影响均较显著,相比粘粒含量的影响不大。通过与Seed建议的砂土及饱和粘土的G/Gmax~γ曲线和λ~γ曲线进行对比,结果显示研究区的粉质土相比一般的砂土和饱和粘土而言,其动力变形特性更接近于砂土,但是与砂土也存在着非常明显的差异;其发展规律与其他地区沉积粉质土也较为不同,具有明显的区域性。采用修正了的Hard in-D rnevich模型和对数模型分别对G/Gmax~γ曲线和λ~γ曲线进行拟合,给出了三类粉质土的归一化动力变形G/Gmax~γ/γr关系曲线,对模型中有关参数的影响因素做了初步的探讨。     

粘性土各向异性特性的PFC数值模拟

本文采用PFC^2D来建立能够反映粘性土微观结构的模型,对不同方向的切样分别进行剪切试验,得到不同方向上剪切的应力应变曲线、剪应变-体应变曲线,求得不同方向上的弹性模量、泊松比、体积模量和剪切模量4个参数,得到其变化规律。粘性土各个方向上剪切强度峰值强度基本沿竖直方向对称分布,呈现出由竖直方向到水平方向剪切的峰值强度由大到小的变化规律。     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

AUTOMATIC IDENTIFICATION OF MESOSCOPIC PARAMETERS OF DISCRETE ELEMENTS OF SAND MATERIAL 1)

本文依照四川大学某理论力学教学班实际教学改革的经验,通过具体举例说明计算机技术在理论力学教学中尚未开发的巨大潜力,减小数学运算使学生重点关注理论力学基本原理,批量求解使学生提前接触实际应用案例,普适性求解使学生深化对处理多变量问题的认识。同时本文还探讨了理论力学教学改革的方向和目的,即把教学重点放在普适的教学方法上,借助计算机求解多刚体、多变量问题,以期有助于理论力学教材更好地适应时代发展。