發(fā)布時(shí)間：2017-10-07 22:26

  本文關(guān)鍵詞：晶體鋁納米接觸與摩擦行為的多尺度與有限元分析研究

  更多相關(guān)文章： 多尺度模擬 有限元分析 晶體鋁 準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法 微納接觸摩擦 原子力顯微鏡

【摘要】：微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中廣泛存在的微納米接觸與摩擦問(wèn)題表現(xiàn)出不同于宏觀接觸問(wèn)題的新特性,而納米尺度的接觸摩擦問(wèn)題對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)、微/納器件的設(shè)計(jì)、制造、使用壽命等至關(guān)重要。然而,在埃量級(jí)的原子尺度下,材料發(fā)生變形和破壞過(guò)程中,原子發(fā)生運(yùn)動(dòng)和遷移從而引發(fā)的一系列的變形機(jī)理的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程在實(shí)驗(yàn)中是不可能觀察得到,因此,人們開(kāi)始探索利用計(jì)算機(jī)對(duì)材料的原子尺度進(jìn)行數(shù)值模擬。由于微機(jī)電系統(tǒng)的部件通常為1至100微米,以現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力顯然無(wú)法使分子動(dòng)力學(xué)的研究范圍擴(kuò)展到連續(xù)介質(zhì)尺度上去,分子動(dòng)力學(xué)的時(shí)空局限性促使著人們對(duì)多尺度方法進(jìn)行著不斷地探索。 本課題選題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：“微機(jī)械摩擦副接觸力學(xué)行為多尺度耦合分析方法研究”。本文以金屬材料晶體鋁作為研究材料,通過(guò)利用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)多尺度方法對(duì)平面—平面、球面—平面等類型微機(jī)械摩擦副中的接觸與滑動(dòng)過(guò)程的模擬,研究其力學(xué)行為的微觀機(jī)制,并驗(yàn)證該多尺度方法在微納米量級(jí)的接觸摩擦行為研究上的可行性。 首先,利用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)多尺度方法模擬了三種不同尺寸壓頭下的平面-平面接觸過(guò)程,得到了相應(yīng)的載荷-位移曲線,分析了壓入過(guò)程中的位錯(cuò)對(duì)的形核與發(fā)射過(guò)程。并將Rice-Thomson理論模型的計(jì)算結(jié)果與多尺度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果符合得比較好。為了研究微納尺度下常見(jiàn)的球面-平面接觸摩擦副,引入了排斥力場(chǎng)勢(shì)函數(shù)的方法模擬了剛性球形壓頭與單晶鋁基體的壓入與卸載過(guò)程,得到了垂直于紙面方向的位移云紋圖與載荷-壓深曲線。通過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù),結(jié)果表明：載荷-壓深曲線呈現(xiàn)出不同于方形壓頭下的階梯狀；由于壓頭兩側(cè)原子所受的切向力較小,基體內(nèi)部只完成了肖克利不全位錯(cuò)的發(fā)射。完全卸載后,殘余位移的大小高度接近單晶鋁伯格斯矢量的模0.285nm。 針對(duì)摩擦副中常見(jiàn)的球面-平面摩擦類型,利用準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)多尺度分析方法以較小的計(jì)算代價(jià)來(lái)研究較大曲率半徑的探針與單晶鋁基體的納米接觸及納米初始滑動(dòng)摩擦過(guò)程。結(jié)果表明：在納米滑動(dòng)摩擦過(guò)程中,探針向前滑動(dòng)3.8nm時(shí),后方劃過(guò)的基體表面下方的滑移帶開(kāi)始擴(kuò)展,所劃過(guò)的基體表面開(kāi)始出現(xiàn)了明顯的彈性恢復(fù)。結(jié)果使得一部分表面下方的位錯(cuò)開(kāi)始向表面擴(kuò)展并且產(chǎn)生孿生形變。同時(shí),下方深處的晶體產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變。將滑動(dòng)摩擦系數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)彈性應(yīng)變能在探針劃過(guò)的表面的彈性恢復(fù)過(guò)程中反饋對(duì)摩擦因數(shù)計(jì)算的影響作了定量分析。 然后,利用納米壓痕儀及原子力顯微鏡(AFM)對(duì)晶體鋁進(jìn)行了納米壓痕與納米劃痕實(shí)驗(yàn),納米壓痕實(shí)驗(yàn)中獲得的載荷-壓深曲線的變化趨勢(shì)與多尺度仿真結(jié)果高度一致。而納米劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果則表明：摩擦力會(huì)隨滑動(dòng)速度的增加而增加。 最后,為了得到實(shí)驗(yàn)試樣中所使用的晶體鋁的塑性特性,利用非線性分析能力強(qiáng)大的ABAQUS有限元分析軟件對(duì)納米壓痕過(guò)程進(jìn)行了模擬并將輸出的載荷-壓深曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,得到了表現(xiàn)晶體鋁塑性性能的屈服應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線,建立了微納米劃痕的有限元模型并進(jìn)行了分析。
【關(guān)鍵詞】：多尺度模擬 有限元分析 晶體鋁 準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法 微納接觸摩擦 原子力顯微鏡
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TH-39;TG146.21
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目錄10-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 課題研究背景及研究意義13-14
• 1.2 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)行為研究現(xiàn)狀及不足14-22
• 1.2.1 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)理論研究14-15
• 1.2.2 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究15-16
• 1.2.3 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)數(shù)值仿真研究16-21
• 1.2.4 微納尺度接觸和摩擦力學(xué)研究的不足21-22
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容22-25
• 第二章 接觸力學(xué)與摩擦力學(xué)理論25-37
• 2.1 接觸力學(xué)問(wèn)題的理論解法25-29
• 2.1.1 Hertz接觸理論25-26
• 2.1.2 JKR接觸理論26-27
• 2.1.3 DMT接觸理論27-28
• 2.1.4 JKR理論與DMT理論的統(tǒng)一28
• 2.1.5 考慮粗糙表面接觸的GW模型28-29
• 2.2 摩擦力學(xué)理論29-35
• 2.2.1 滑動(dòng)摩擦理論29-33
• 2.2.1.1 粘著摩擦機(jī)理30-31
• 2.2.1.2 形變摩擦機(jī)理31-32
• 2.2.1.3 棘齒摩擦機(jī)理32-33
• 2.2.2 微納摩擦理論33-35
• 2.3 本章小結(jié)35-37
• 第三章 微納尺度接觸過(guò)程中力學(xué)行為的多尺度分析37-59
• 3.1 引言37
• 3.2 多尺度模擬方法理論37-44
• 3.2.1 跨原子-連續(xù)介質(zhì)多尺度模擬方法的基礎(chǔ)理論37-40
• 3.2.2 準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)(QC)法的耦合算法40-44
• 3.3 微納尺度平面-平面接觸的多尺度模擬44-50
• 3.3.1 模型建立及相關(guān)模擬參數(shù)44-45
• 3.3.2 模型求解結(jié)果分析45-50
• 3.3.2.1 位錯(cuò)形核與發(fā)射過(guò)程46-49
• 3.3.2.2 位錯(cuò)形核發(fā)射的臨界載荷計(jì)算49-50
• 3.4 微納尺度球面-平面接觸的多尺度模擬50-57
• 3.4.1 納米接觸的QC法建模50-52
• 3.4.2 模擬結(jié)果與分析52-57
• 3.4.2.1 接觸壓入階段52-56
• 3.4.2.2 卸載脫離階段56-57
• 3.5 本章小結(jié)57-59
• 第四章 微納尺度摩擦過(guò)程中力學(xué)行為的多尺度分析59-73
• 4.1 引言59
• 4.2 準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)多尺度方法在微納摩擦問(wèn)題上的應(yīng)用59-60
• 4.3 微納尺度接觸多尺度建模與仿真60-71
• 4.3.1 仿真模型的建立60-61
• 4.3.2 仿真結(jié)果分析61-71
• 4.3.2.1 接觸過(guò)程61-63
• 4.3.2.2 滑動(dòng)過(guò)程63-67
• 4.3.2.3 討論67-71
• 4.4 本章小結(jié)71-73
• 第五章 晶體鋁的微納尺度接觸摩擦力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究73-81
• 5.1 引言73
• 5.2 晶體鋁的納米壓痕實(shí)驗(yàn)73-77
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法73-75
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析75-77
• 5.3 單晶鋁的納米劃痕實(shí)驗(yàn)77-79
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)方法77-78
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果78-79
• 5.4 本章小結(jié)79-81
• 第六章 晶體鋁的微納米接觸摩擦過(guò)程的有限元分析81-91
• 6.1 引言81
• 6.2 有限元方法及ABAQUS軟件81-82
• 6.3 微納米壓痕過(guò)程的有限元分析82-85
• 6.4 微納米劃痕過(guò)程的有限元分析85-89
• 6.5 本章小結(jié)89-91
• 第七章 全文工作總結(jié)與展望91-95
• 7.1 本文主要工作和結(jié)論91-92
• 7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)92-93
• 7.3 后續(xù)工作建議及展望93-95
• 致謝95-97
• 參考文獻(xiàn)97-102
• 附錄A：本人在攻讀碩士學(xué)位期間的科研成果102

【參考文獻(xiàn)】

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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本文編號(hào)：990428