环境影响下结构破坏分子动力学模拟

摘要

分子动力学方法是在原子尺寸上模拟材料性质的方法，它是一种联系物质的微观结构和宏观性质的一种确定性计算方法。而服役环境中结构的腐蚀损伤形成与扩张也是从原子或者纳米级开始的，因此，将这种方法应用到结构腐蚀损伤的演化模拟中，就可以解决传统的基于连续介质理论的线弹性断裂力学无法解决的困难，使得揭示微观领域裂纹萌生和扩展的问题变为可能。
　　 针对环境作用下结构破坏的复杂性，以及国内外在这方面的研究成果都是基于分子动力学方法分析了含确定预制微裂纹结构在外界载荷作用下的演化过程，很少考虑环境作用下结构表面腐蚀损伤处微裂纹的萌生及扩展的现状，本文采用分子动力学方法并结合元胞自动机方法，完成了如下主要工作:
　　 (1)归纳整理了国内外目前关于金属的腐蚀损伤造成的损失及其现阶段的研究现状。
　　 (2)将广泛用于其他复杂系统的元胞自动机方法用到金属腐蚀损伤分析中，建立了结构损伤演化的元胞自动机模型，通过编译程序对复杂环境中腐蚀损伤演化机理进行了模拟，得到了不同环境条件下金属材料随时间的演化的过程。
　　 (3)在元胞自动机分析结构腐蚀损伤形成与扩展的基础上，采用分子动力学方法并结合速度Verlet算法，通过编制的C语言程序求解了原子间的作用势以及速度，对腐蚀损伤处微裂纹萌生过程进行分析。
　　 (4)通过建立的分子动力学模型，对在实际工程中具有广泛应用价值的单品铝板在环境因素作用下的破坏过程进行了分析，并对其破坏过程中的能量及应变进行了跟踪。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究背景和意义

1．2 分子动力学模拟意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文研究内容

第二章 腐蚀损伤演化元胞自动机模拟

2．1 元胞自动机方法的物理模型

2．2 元胞自动机模型

2．2．1 元胞空间定义

2．2．2 元胞自动机构成

2．2．3 参数设定

2．3 金属腐蚀损伤的元胞自动机模拟

2．3．1 单坑腐蚀损伤演化过程的模拟

2．3．2 模拟结果分析

2．4 本章小结

第三章 分子动力学方法及分析过程

3．1 分子动力学基本理论

3．2 原子间作用势函数

3．2．1 对势

3．2．2 多体势

3．3 分子动力学模型

3．3．1 几何模型

3．3．2 初始条件

3．3．3 边界条件

3．3．4 分子动力学分析过程

3．4 分子动力学求解方法

3．5 分子动力学系综

3．5．1 系综分类

3．5．2 系综温度控制

3．6 本章小结

第四章 腐蚀损伤处微裂纹萌生及扩展的分子动力学模拟

4．1 单晶铝的性质

4．2 建模

4．2．1 系综选择和控制方法

4．2．2 势函数选择

4．3 初始化参数设定及加速方法实现

4．3．1 初始化参数设定

4．3．2 加速技术

4．4 原子间作用力与运动方程的求解

4．4．1 原子间作用力

4．4．2 原子运动方程求解

4．5 设计程序的基本框架

4．6 模拟过程及其结果

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间参与的科研项目及成果