纳米尺度金属薄膜拉伸分叉问题数值分析研究

摘要

本文对金属纳米薄膜拉伸分叉问题进行了数值分析研究。首先研究了长波扰动下单独的金属薄膜的大幅度不均匀变形,并与线性摄动分析的结果进行了对比；对高聚物基底上的金属薄膜的大幅度不均匀变形在长波扰动下进行了数值分析,并与线性摄动分析的结果进行了对比；单独的金属薄膜和粘在高聚物基底上的金属薄膜这两组数值模拟的结果显示了,基底抑制了金属薄膜的大幅度不均匀变形。基底的弹性和基底与薄膜的厚度比对纳米金属薄膜的变形有着重要影响。为了研究这两种因素对变形的影响,按照基底和薄膜厚度比率的不同,设计并进行了三组计算,并在这三组之间做了对比,而且每组计算中,又根据基底弹性模量的不同分为三种情况计算,并在这三种情况中间进行对比。在计算的过程中,得到了薄膜基底复合结构的三种变形模式。当基底柔性比较大的时候,薄膜在缺口处形成了一个颈缩,基底也因此在薄膜颈缩附近发生了局部扭曲。正像线性摄动分析预测的那样,柔性大的基底不抑制金属薄膜内的应变。当基底的弹性处于中等状态的时候,金属薄膜形成多个颈缩,并承受较大的拉伸应变,然后在缺口处断裂。当基底刚性比较大的时候,金属薄膜可以在很大的应变范围内均匀的变形而不断裂。在基底杨氏模量相同的情况下,基底越厚,薄膜基底复合结构的临界分叉应变就越大。为了研究薄膜基底界面粘附性能对复合结构拉伸性能的影响,采用ABAQUS中的cohesive单元对薄膜基底界面进行了模拟。以两个无量纲参数来描述界面的强度。计算发现,界面的粘附性能不同,薄膜基底结构的拉伸性能也不相同,计算结果得到了三种变形模式。并进一步的研究了界面的张开位移和滑动位移对金属薄膜颈缩的影响和界面法向强度与切向强度对断裂应变的影响。计算发现,金属薄膜的断裂应变对界面的切向强度更加敏感。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 纳米薄膜分叉问题的研究意义

1.1.1 纳米薄膜

1.1.2 纳米薄膜拉伸分叉问题的研究意义

1.2 主要的研究手段及国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

第二章 塑性理论及非线性计算

2.1 塑性理论与材料非线性

2.1.1 延性金属的塑性

2.1.2 有限变形中的应力应变度量

2.1.3 应力应变的幂强化关系

2.2 几何非线性问题的有限元计算格式

2.2.1 大位移问题

2.2.2 几何非线性问题的计算格式

2.2.3 非线性方程的解法

第三章 有限单元法及弹塑性问题的计算

3.1 有限单元法的计算思路

3.2 ABAQUS平台分析模型的组成

3.3 塑性的定义

3.4 弹塑性问题单元的选择

第四章 纳米薄膜拉伸分叉问题数值研究

4.1 高聚物基底对纳米金属薄膜应变局部化的影响

4.1.1 应变局部化和抑制的实验观察

4.1.2 对金属薄膜不均匀变形的线性摄动分析

4.1.3 线性摄动分析下高聚物基底对金属薄膜分叉应变的影响

4.1.4 单独金属薄膜大幅度不均匀变形

4.1.5 大幅度不均匀变形下基底对金属薄膜分叉应变的影响

4.2 弹性体基底与纳米金属薄膜的分叉问题

4.2.1 长波扰动下无量纲参数EH/Kh与金属薄膜的分叉应变

4.2.2 各种波长下基底的弹性与金属薄膜的分叉应变

4.2.3 大幅扰动下基底弹性和基底薄膜厚度与薄膜分叉应变

第五章 界面粘附性与基底上金属薄膜的分叉行为

5.1 计算模型

5.2 界面关系的模拟

5.3 三种类型拉伸性能

5.4 界面滑动和张开位移对薄膜分叉的影响

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢