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基于跨尺度模拟的机械微结构断裂行为研究

作　者: 张向前
导　师: 白清顺
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 准连续介质微构件多尺度仿真弯曲压缩
分类号: TH114
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 53次
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内容摘要

随着纳米科技的飞速发展，对微纳米零件的需求越来越多，同时对其使用性能也提出了很高的要求。受表面效应、量子效应、小尺度效应的影响，机械微结构达到微米甚至纳米量级时，微构件断裂等力学性能与常规构件表现出很大的差异。因此，加快建立微纳米零件的加工和设计理论已成为当前制造业领域一项很重要的任务。本文借助准连续介质方法，研究微构件在不同加载下的断裂特性，这对微构件的力学性能等具有重要的理论价值和现实意义。论文研究工作如下：首先，搭建了准连续介质仿真平台，建立拉伸过程的多尺度仿真模型，并通过计算分析了模型的有效性。其次，模拟并分析了单晶铜悬臂梁弯曲过程的尺寸效应及梁弯曲失效原因。研究了梁厚度、跨厚比及晶向设置对两端固支梁弹性模量等的影响，利用位错及滑移理论分析了三种不同晶向设置两端固支梁模型的微观变形机理。结果发现，连续介质理论及其衍生理论对微/纳构件已不再适用。悬臂梁的厚度对力学性能影响很大。两端固支梁的弹性变形阶段的弹性模量随应变的增加而增大，梁的尺寸越小弹性模量增加越快。相同跨厚比下，梁的初始弹性模量是定值，受尺寸效应、表面效应影响不明显。梁的初始弹性模量、最大挠度、弯曲强度等特性随梁厚的增大而减小。最后，建立了单晶铜纳米杆的压缩过程多尺度仿真模型，研究了结构尺寸参数对纳米杆压缩力学性能的影响，通过分析纳米杆在压缩变形时的形变、内部应力和应变能的演化规律，获得了纳米杆压缩变形及溃裂机制。分析了纳米杆在不同压缩条件下的弹性模量、弹性极限、屈服极限及泊松比等力学特性。结果表明：与宏观值相比，单晶铜纳米杆压缩时的弹性模量、弹性极限和屈服极限表现出明显的尺寸效应，而其泊松比的尺寸效应并不明显；纳米构件一维方向尺寸的变化对其力学性能影响不大。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-9
  1.2 多尺度方法在力学性能研究的应用  9-10
  1.3 微构件弯曲特性的研究现状  10-11
  1.4 微构件拉伸/压缩特性的研究现状  11-12
  1.5 目前研究存在的不足  12
  1.6 本课题研究的主要内容  12-14
第2章多尺度仿真方法相关理论及模型有效性验证  14-26
  2.1 引言  14
  2.2 QC 方法基本原理  14-20
    2.2.1 代表原子的选择  15
    2.2.2 控制方程  15-16
    2.2.3 减小原子自由度  16-17
    2.2.4 局部 QC 方法  17-18
    2.2.5 非局部 QC 方法  18-19
    2.2.6 网格自适应划分  19-20
  2.3 仿真程序设计及实现  20
  2.4 面心立方模型及位错理论  20-21
  2.5 模型有效性验证  21-25
    2.5.1 模型介绍  21-22
    2.5.2 模型有效性验证  22-25
  2.6 本章小结  25-26
第3章机械微结构弯曲断裂过程的多尺度模拟  26-43
  3.1 单晶铜微梁结构建模及加载  26-28
    3.1.1 悬臂梁建模及加载  26-27
    3.1.2 两端固支梁建模及加载  27-28
  3.2 悬臂梁弯曲变形断裂的多尺度仿真  28-33
    3.2.1 悬臂梁弯曲过程的尺寸效应  28-32
    3.2.2 悬臂梁弯曲断裂失效分析  32-33
  3.3 两端固支梁变形断裂过程的多尺度模拟  33-37
    3.3.1 跨厚比对弹性模量的影响  33-35
    3.3.2 梁厚对弯曲力学性能的影响  35-37
    3.3.3 晶体向设置对弯曲力学性能的影响  37
  3.4 不同晶体取向下微梁断裂性能研究  37-41
  3.5 三种晶向设置下的应变能变化规律  41-42
  3.6 本章小结  42-43
第4章机械微结构压缩溃裂过程的多尺度模拟  43-54
  4.1 引言  43
  4.2 压缩过程多尺度仿真模型  43-44
  4.3 参数变化对微构件压缩力学性能的影响  44-47
    4.3.1 不同长度下单晶铜纳米杆压缩模拟  44-46
    4.3.2 不同高度下单晶铜纳米杆压缩模拟  46-47
  4.4 纳米杆压缩过程和溃裂失效分析  47-49
  4.5 不同晶向设置下单晶铜微构件压缩模拟  49-53
    4.5.1 模拟结果  49-50
    4.5.2 结果分析  50-53
  4.6 本章小结  53-54
结论  54-55
参考文献  55-60
致谢  60

基于跨尺度模拟的机械微结构断裂行为研究

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