【摘 要】
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接触行为的研究是摩擦学的基础问题,是分析摩擦、磨损和润滑问题的基础。微/纳尺度接触行为下的高粘附、高表面作用能是制约微纳米器件应用和推广的重要因素,研究微/纳接触、摩
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接触行为的研究是摩擦学的基础问题,是分析摩擦、磨损和润滑问题的基础。微/纳尺度接触行为下的高粘附、高表面作用能是制约微纳米器件应用和推广的重要因素,研究微/纳接触、摩擦原理,将其用于指导MEMS系统的设计和制造对促进纳米科技的发展具有重要作用。多尺度方法既能有效提高计算效率又能获得模拟中的局部细节,近年来得到了较大的发展,并开始应用于微/纳接触行为的模拟研究。分子动力学只能对探头和基体接触的模型进行模拟,利用多尺度方法则能实现粗糙表面接触行为的模拟。 本文将着重研究将基于并行计算的多尺度算法用于微/纳表面接触问题模拟的实现问题,开发拥有高精度和高效率的多尺度模拟软件,为多尺度方法的进一步应用奠定基础。简要概述了跨原子和连续介质多尺度方法的基本原理,在Linux系统下,搭建了集群并行计算系统。阐述了Libmultiscale软件的计算流程,以此建立软件的构架,完成了Libmultiscale的安装。采用EAM势能函数建立了铜材料的球形探头与光滑表面基体的接触模型,对Libmultiscale的模拟精度和效率进行了测试。针对测试中出现的问题,对软件的算法进行了修改。 精度测试结果表明Libmultiscale能较好的控制模拟中探头的受力,但探头位移与分子动力学模拟存在固有误差,当在原子区初始温度为0K时误差最小。效率测试结果显示对原子区域和有限元区域采用较为合适的进程分配,能缩短模拟时间。在精度允许的范围内,不管怎样粗化有限元网格和降低交接区尺寸,二者在模拟时间上的消耗依然较大。通过对异地节点信息读取算法的改变,将有限元区域的并行效率提高了2倍,在使用36个进程的模拟中,总模拟时间缩短了87%。 通过对基于并行计算的多尺度模拟软件Libmultiscale的开发和研究,搭建了高效的并行计算平台,为桥域多尺度方法对有限元节点力的计算提供了一种基于线性本构关系的新方法,完成了将高性能并行计算应用在微/纳粗糙表面接触模拟中的多尺度软件的开发。今后的研究方向在于如何建立更加科学的多尺度模型进行粗糙表面接触行为的分析,在软件中实现温度的控制也是进行摩擦行为模拟的必要条件。
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