【摘要】：隨著納米級器件的廣泛應(yīng)用,納米級別構(gòu)件的力學(xué)性能被逐漸重視起來。但是,納米級別構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)一般不容易實(shí)現(xiàn)。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng),數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于納米構(gòu)件的計(jì)算,分子動(dòng)力學(xué)是其中最廣泛應(yīng)用的方法之一。本文以分子動(dòng)力學(xué)理論為核心,模擬了單晶納米銅幾個(gè)典型構(gòu)件的力學(xué)性能。為了更好地分析納米構(gòu)件的變形,首先開發(fā)了分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算輸出數(shù)據(jù)的顯示程序軟件。軟件是基于C#程序開發(fā),引用OpenGL顯示程序包,調(diào)用C++編寫的dll動(dòng)態(tài)外部鏈接庫實(shí)現(xiàn)的。提出了一套三維變換算法,自主實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的三維變換過程,便于模型的可視化。研究了三軸拉伸下不同晶向銅納米立方體的力學(xué)性質(zhì)。為了研究晶向的區(qū)別,給出了晶向尺寸的概念,晶向尺寸很好地衡量了晶向之間的差距。晶向尺寸相近,此晶向所在方向的性質(zhì)也越相近。從能量、應(yīng)力和變形三個(gè)角度分析了銅納米立方體性質(zhì)的區(qū)別。由于溫度相同,所以動(dòng)能的值也是動(dòng)態(tài)不變的。而勢能的值則與晶向有很大關(guān)系,晶向尺寸越大,勢能的絕對值越大,勢能的改變量越小。本文不僅給出了三種晶向三個(gè)方向的應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)晶向尺寸越接近其應(yīng)力曲線越接近;還給出了三個(gè)模型的平均應(yīng)力與Mises應(yīng)力曲線,發(fā)現(xiàn)Mises曲線在平均應(yīng)力曲線內(nèi)部,Mises應(yīng)力是更加安全的。三種模型的變形不同,[100]納米立方體是從立方體的角開始,[110]納米立方體從立方體的棱開始,[111]納米立方體的面最先破壞。給出了以分子動(dòng)力學(xué)理論為核心、基于原子運(yùn)動(dòng)的自然應(yīng)變的概念,給定了基于自然應(yīng)變的動(dòng)態(tài)泊松比和動(dòng)態(tài)楊氏模量。分析了拉伸作用下不同晶向與不同截面尺寸銅納米桿的基于自然應(yīng)變的動(dòng)態(tài)泊松比與動(dòng)態(tài)楊氏模量的變化規(guī)律。在拉伸作用下,自然應(yīng)變與應(yīng)力之間存在著對應(yīng)關(guān)系,自然應(yīng)變可以反映更多的力學(xué)性質(zhì)。截面兩個(gè)方向的動(dòng)態(tài)泊松比的大小與晶向尺寸有著直接關(guān)系,兩個(gè)方向晶向尺寸的差距決定著動(dòng)態(tài)泊松比的差距。動(dòng)態(tài)楊氏模量與拉伸方向的晶向有關(guān),晶向尺寸越大,屈服之前其應(yīng)力曲線斜率越小,越趨于平穩(wěn)。截面面積越大,動(dòng)態(tài)泊松比平穩(wěn)值越小,曲線也越平,但楊氏模量的平穩(wěn)值是相同的。模擬了不同晶向與不同長度的銅納米桿的壓縮過程。壓縮變形是一種堆積傳遞的過程,這與拉伸極其不同,所以性質(zhì)也不同。壓縮作用下的銅納米桿的動(dòng)態(tài)泊松比與動(dòng)態(tài)楊氏模量會(huì)發(fā)生突變現(xiàn)象,突變的時(shí)機(jī)與晶向和長度有著一定關(guān)系。壓縮銅納米桿對長度是敏感的,存在著穩(wěn)定性問題。在直角坐標(biāo)系自然應(yīng)變基礎(chǔ)上,給出了柱坐標(biāo)系的自然應(yīng)變及相應(yīng)的自然應(yīng)變比,并模擬了中空銅納米圓柱體的拉伸行為,考慮了不同厚度與不同拉伸速率對銅納米圓柱體力學(xué)性能的影響。通過分析,發(fā)現(xiàn)中空納米圓柱體的壁厚直接影響著整個(gè)納米圓柱體的性質(zhì)。當(dāng)孔洞尺寸達(dá)到一定值,壁厚很薄時(shí),圓柱體在弛豫過程中的勢能值變化極大,模型截面的形狀將發(fā)生很大變化,薄壁納米管的性質(zhì)不同。分析了應(yīng)力之間的關(guān)系,擬合了平均應(yīng)力與Mises應(yīng)力的解析表達(dá)式。拉伸速率主要影響中空銅納米圓柱體自然應(yīng)變的變化速率,導(dǎo)致了斷裂時(shí)傳統(tǒng)應(yīng)變的不同。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1;O614.121
【圖文】：

圖 2.1 晶體的相關(guān)概念Fig. 2.1 Related concepts of crystals2.1.2 晶向和晶面在晶格中，穿過兩個(gè)以上結(jié)點(diǎn)的任一直線，都代表晶體中一個(gè)原子列在空間的位向稱為晶向。由結(jié)點(diǎn)組成的任一平面都代表晶體的原子平面，稱為晶面[174]。任意陣點(diǎn) P 的位置可以用矢量或者坐標(biāo)來表示（圖 2.2）。P = ua + vb +wc （2-1）式中，uvw需要化成最小整數(shù)。晶向?yàn)閇 uvw ]，表示一組排列相同粒子的平行晶向。

圖 2.1 晶體的相關(guān)概念Fig. 2.1 Related concepts of crystals和晶面中，穿過兩個(gè)以上結(jié)點(diǎn)的任一直線，都代表晶體中一個(gè)原子列在空由結(jié)點(diǎn)組成的任一平面都代表晶體的原子平面，稱為晶面[174]。點(diǎn) P 的位置可以用矢量或者坐標(biāo)來表示（圖 2.2）。P = ua + vb +wc 需要化成最小整數(shù)。晶向?yàn)閇 uvw ]，表示一組排列相同粒子的平行

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本文編號(hào)：2734420