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微/纳尺度接触行为的多尺度模拟研究

郭其超  
【摘要】:随着微/纳机电系统(M/NEMS)的日益微型化,表面力(例如表面粘着力和摩擦力等)已成为决定系统性能的重要因素。M/NEMS中存在的严重表面粘着、摩擦磨损问题,仍然是阻碍M/NEMS产品进入市场的关键问题。因此,研究微/纳尺度下的接触行为,将其应用于M/NEMS系统的设计和制造对纳米科学的发展具有重要意义。多尺度模拟作为一种计算实验方法,可以对理论分析和实验观测都难以了解的现象做出一定的解释,是研究M/NEMS接触行为中粘附作用与表面形貌对接触行为影响的一种有效方法。 本文简述了跨原子/连续介质多尺度方法的基本原理,介绍了耦合分子动力学模拟和有限元分析的桥域多尺度算法。在分析现有多尺度模拟软件的基础上,选择了实现桥域多尺度算法的Libmultiscale软件。在开源多尺度模拟软件Libmultiscale的框架上,改进了该软件功能和性能上存在的一些缺陷,解决了计算效率较低、计算精度不高,不能输出应力等问题,为后面进行微/纳尺度接触行为的多尺度研究提供了模拟工具。 应用桥域多尺度算法和改进后的Libmultiscale软件,模拟了三维刚性球形压头与光滑基体表面的纳米接触行为,并与全原子模型的分子动力学模拟结果进行了比较,以考察桥域多尺度算法和软件是否适用于微/纳尺度接触行为的研究。结果表明,该算法能够将原子区的位移、应力等连续的过渡到连续介质区,具有较好的耦合效果。在给定外载荷下桥域多尺度算法能较快达到平衡状态,且压头的振荡幅度更小,系统初始温度为0K时该算法的相对误差最小。在准静态加载过程中,法向力-压头位移和接触半径-压头位移曲线几乎与分子模拟结果相重合,表明桥域多尺度算法在弹性变形范围内具有较高的计算精度。 在获得较好精度的基础上,应用桥域多尺度算法模拟了刚性平面压头与分形表面之间的接触行为。考察了接触面积-载荷的关系、接触应力分布及概率分布等问题。结果表明:在粗糙表面的接触中接触面积与载荷呈线性关系,表面形貌的改变不会影响其线性关系,与连续介质力学中的Greenwood-Williamson模型预测一致。接触表面的应力分布取决于分形表面的形貌,接触应力的概率分布与连续介质力学预测一致。


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