基于跨尺度模拟的机械微结构断裂行为研究

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随着纳米科技的飞速发展,对微纳米零件的需求越来越多,同时对其使用性能也提出了很高的要求。受表面效应、量子效应、小尺度效应的影响,机械微结构达到微米甚至纳米量级时,微构件断裂等力学性能与常规构件表现出很大的差异。因此,加快建立微纳米零件的加工和设计理论已成为当前制造业领域一项很重要的任务。本文借助准连续介质方法,研究微构件在不同加载下的断裂特性,这对微构件的力学性能等具有重要的理论价值和现实意义。论文研究工作如下:首先,搭建了准连续介质仿真平台,建立拉伸过程的多尺度仿真模型,并通过计算分析了模型的有效性。其次,模拟并分析了单晶铜悬臂梁弯曲过程的尺寸效应及梁弯曲失效原因。研究了梁厚度、跨厚比及晶向设置对两端固支梁弹性模量等的影响,利用位错及滑移理论分析了三种不同晶向设置两端固支梁模型的微观变形机理。结果发现,连续介质理论及其衍生理论对微/纳构件已不再适用。悬臂梁的厚度对力学性能影响很大。两端固支梁的弹性变形阶段的弹性模量随应变的增加而增大,梁的尺寸越小弹性模量增加越快。相同跨厚比下,梁的初始弹性模量是定值,受尺寸效应、表面效应影响不明显。梁的初始弹性模量、最大挠度、弯曲强度等特性随梁厚的增大而减小。最后,建立了单晶铜纳米杆的压缩过程多尺度仿真模型,研究了结构尺寸参数对纳米杆压缩力学性能的影响,通过分析纳米杆在压缩变形时的形变、内部应力和应变能的演化规律,获得了纳米杆压缩变形及溃裂机制。分析了纳米杆在不同压缩条件下的弹性模量、弹性极限、屈服极限及泊松比等力学特性。结果表明:与宏观值相比,单晶铜纳米杆压缩时的弹性模量、弹性极限和屈服极限表现出明显的尺寸效应,而其泊松比的尺寸效应并不明显;纳米构件一维方向尺寸的变化对其力学性能影响不大。
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