单晶铜纳米杆拉伸力学特性的大规模分子动力学仿真

摘要

纳构件的力学特性是决定其使用性能的重要因素。本文采用分子动力学并行仿真技术模拟了理想和带有缺陷的单晶铜纳米杆的拉伸变形过程，研究了纳米杆拉伸力学特性的尺寸依赖性，及孔洞缺陷对纳米杆拉伸变形过程和力学特性的影响。本课题的研究对全面认识纳结构的变形和失效机理，指导纳结构的设计和制造具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文首先基于LAMMPS软件，搭建了适合本次课题研究的并行仿真计算平台，并验证了并行算法的高效性、准确性和可扩展性。通过对不同截面形状的单晶铜纳米杆拉伸过程的仿真计算，获得了截面形状对纳米杆拉伸变形机制和力学特性影响的规律。仿真结果表明，截面形状对单晶铜纳米杆拉伸变形的初始塑性影响较小，而对力学特性的影响较大。
　　其次，通过模拟多种规模尺度下圆形、方形截面形状纳米杆的拉伸变形过程，研究了单晶铜纳米杆拉伸力学特性的尺寸依赖性。仿真结果表明，纳米杆拉伸力学特性受其横截面外观几何形状和尺寸的影响较为显著，而受长细比影响较小。随着截面面积的增大，两种截面形状纳米杆的屈服应力减小，首次屈服应变提前，弹性模量增大；当截面面积增大到500nm2后，两种截面形状纳米杆的弹性模量趋于稳定，其值接近理论值84GPa。
　　最后，建立起带有通孔的单晶铜纳米杆模型，采用中心对称参数方法并结合位错形核理论研究了孔洞大小、孔洞间距、孔洞数量和孔洞构型对纳米杆拉伸力学特性和变形机制的影响。结果表明，孔洞的存在显著降低了材料的强度；孔间距和孔洞构型对孔洞贯通过程影响较大，进而对纳米杆力学特性产生影响；相同的孔洞体积下，沿拉伸方向孔洞数量越多，孔洞之间发射位错的几率越大，位错相互交叠阻止了位错进一步扩展，进而导致了纳米杆弹性模量和屈服应力增大。

目录

单晶铜纳米杆拉伸力学特性的大规模分子 动力学仿真

LARGE-SCALE MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION ON TENSION MECHANICAL PROPERTIES OF SINGLE CRYSTAL COPPER NANO-ROD

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题来源及研究的目的和意义

1.3 国内外在该方向的研究现状及分析

1.4 课题主要研究的内容

第2章 分子动力学基本理论及并行化

2.1 引言

2.2 分子动力学仿真方法

2.3 分子动力学仿真并行化设计

2.4 单晶铜纳米杆拉伸过程的分子动力学并行化仿真及验证

2.5 本章小结

第3章 截面形状对单晶铜纳米杆拉伸力学特性的影响

3.1 引言

3.2 分子模拟的过程

3.3 圆形截面纳米杆拉伸变形过程分析

3.4 方形截面纳米杆拉伸变形过程分析

3.5 圆形、方形截面纳米杆仿真结果对比分析

3.6 本章小结

第4章 单晶铜纳米杆拉伸力学特性的尺寸依赖性

4.1 引言

4.2 截面面积对纳米杆拉伸力学特性的影响

4.3 长细比对纳米杆拉伸力学特性的影响

4.4 本章小结

第5章 通孔缺陷对纳米杆拉伸力学特性的影响

5.1 引言

5.2 模型的建立及仿真参数设定

5.3 单孔对纳米杆拉伸力学特性的影响

5.4 双孔对纳米杆拉伸力学特性的影响

5.5 多孔对纳米杆拉伸力学特性的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢