【摘要】：材料的變形及失效過程涉及到多個尺度下的耦合作用,僅用宏觀尺度下的方法難以準確地描述材料的變形及失效機理,因此需要開展各個尺度下的研究。本文主要采用分子動力學微觀模擬方法研究了模型尺寸、裂紋長度、溫度和加載應變率對單晶納米鋁板強度和裂紋擴展的影響及其微觀機理;采用多尺度分析(分子動力學+有限元)方法建立了從納米尺度到宏觀尺度二維金屬銀板裂紋擴展的多尺度數(shù)值模擬模型;采用第一性原理方法對分子動力學勢函數(shù)擬合開展了探索性研究,計算了鋯鈷合金勢函數(shù)擬合中晶體結構,形成熱,結合能和彈性常數(shù)等參數(shù),并從納觀電子角度討論了元素摻雜對鋯鈷合金宏觀力學性能和儲氫性能的影響。本論文具體安排如下:第1章為緒論,主要介紹了材料變形及失效在不同尺度下的研究意義、現(xiàn)狀和主要方法,以及多尺度數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀。第2章介紹了分子動力學方法和第一性原理方法的基本理論,以及常見的多尺度連接方法。第3章利用分子動力學方法詳細分析了模型尺寸、溫度、應變率和裂紋長度對含有中心裂紋單晶鋁強度和微觀機理的影響。第4章基于分子動力學與有限元耦合的方法,建立了單晶銀板斷裂的二維模型,并通過文獻驗證了該模型的科學性和可行性。第5章,對分子動力學模擬所需要的勢函數(shù)進行了探索性研究,計算了分子動力學勢函數(shù)模擬所需要的參數(shù),并討論了其中的微觀機制。第6章,對全文進行總結,并對今后的研究內(nèi)容和方法提出展望。運用分子動力學方法模擬了含有中心裂紋的單晶鋁板在拉伸載荷作用下的裂紋擴展過程,分析了模型尺寸、裂紋長度、溫度和應變率對單晶鋁板強度和裂紋擴展的影響。隨著模型尺寸、裂紋長度和應變率的增加,單晶鋁板的塑性屈服點提前,塑性屈服極限應力減小,材料的塑性變形能力增強;但溫度對單晶鋁板的強度影響較小,與文獻結果符合良好。材料的力學性能具有尺寸依賴性,隨著模型尺寸增大,材料的屈服應力減小,屈服點提前,斷裂韌性提高。在彈性階段,材料變形與體系內(nèi)部原子的點缺陷和面缺陷相關;在塑性變形階段,材料變形與位錯增殖和滑移相關。裂紋尖端處應力集中是裂尖附近晶體結構發(fā)生相變的原因,能量在相變后釋放導致應力松弛所致。采用分子動力學和有限元數(shù)值方法相結合來研究單晶銀板Ⅰ型邊裂紋跨連續(xù)介質(zhì)/原子尺度的擴展過程,提出了一種以應力強度因子傳遞連續(xù)介質(zhì)區(qū)應力邊界信息,以位移為參量連接連續(xù)介質(zhì)區(qū)與離散原子區(qū),有限元與分子動力學相結合的多尺度分析方法。通過該方法中的模型參數(shù)和材料與文獻中的參數(shù)保持一致,該模擬結果與理論和實驗結論相符,證明了該方法的合理性。采用基于密度泛函理論的第一性原理方法計算了鋯鈷儲氫合金勢函數(shù)擬合所需要的晶體結構,形成熱,結合能和彈性常數(shù)等參數(shù),并基于緊縛式理論和能帶理論討論了Ti、Hf置換摻雜鋯鈷儲氫合金(Zr_8Co_8)后的晶體結構,彈性常數(shù)和電子結構的影響�；谀軒Ю碚�,從納觀電子角度出發(fā),分析了元素摻雜對鋯鈷合金在宏觀尺度下儲氫性能和力學性能的影響。
【圖文】：

圖 2.1 Verlet 算法演繹過程 Velocity-verlet 算法，對式(2-4)進行變換，以 2δt 更換 δt，可以得到：2221( 2 ) ( ) ( + ) ( )( )2!i i i id dt t t t r t t t r t t tdt dtr + δ =r+ δ δ δ + + δ δ+

圖 2.2 Velocity-verlet 算法演繹過程對比 Verlet 方法，Velocity-verlet 方法具有計算速度較快，，且計算精度也較，故本文選用該方法進行求解牛頓運動積分方程。2 分子動力學模擬的系綜
【學位授予單位】：重慶理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG111

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 王楊;程南璞;王強;;LiN_2H_3BH_3和LiNH_2BH_3儲氫材料的第一性原理計算[J];稀有金屬材料與工程;2017年08期

2 代利峰;劉濤;龔亮;常春蕊;安立寶;;Fe摻雜碳納米管吸附Al原子的第一性原理研究[J];中國有色金屬學報;2017年06期

3 丁軍;劉泊;王路生;黃霞;宋濵;;微觀尺度下單晶銅熔點多因素影響的分子動力學模擬研究[J];材料導報;2017年06期

4 夏金姣;梁文萍;繆強;任蓓蕾;韓培德;;Y摻雜γ-TiAl電子結構的第一性原理計算[J];稀有金屬材料與工程;2017年02期

5 盛鷹;曾祥國;郭楊;陳華燕;;一種跨原子/連續(xù)介質(zhì)尺度的多尺度耦合方法[J];四川大學學報(自然科學版);2017年01期

6 王鵬;李軍;林崇智;楊柳;彭琳;王瑩;肖聰;陳敬超;;Ti-Ni金屬間化合物電子結構與力學性質(zhì)的第一性原理計算[J];中國有色金屬學報;2016年12期

7 周博;孫博;薛世峰;;巖石斷裂力學的擴展有限元法[J];中國石油大學學報(自然科學版);2016年04期

8 周立明;孟廣偉;張堯;李鋒;;基于Node光滑有限元的機電虛擬裂紋閉合法[J];華中科技大學學報(自然科學版);2015年11期

9 王海燕;歷長云;李旭升;胡前庫;楊印;;Mo摻雜對TiAl合金物性影響的第一性原理研究[J];稀有金屬材料與工程;2015年11期

10 李萍;趙賓;薛克敏;;銅合金微塑性成形力學性能及其本構關系[J];固體力學學報;2015年05期

相關博士學位論文 前2條

1 許秋楠;拓撲絕緣體及半金屬的第一性原理研究[D];中國科學院大學(中國科學院物理研究所);2017年

2 于洪雨;高壓下疊氮化銨和硝酸銨的第一性原理分子動力學研究[D];吉林大學;2016年

相關碩士學位論文 前1條

1 馬磊;納米金屬力學性能的分子動力學模擬[D];西南大學;2011年

本文編號：2602965