泡沫铝表面相互作用的多尺度模拟方法初步研究

论文摘要

泡沫铝的工程应用日益广泛,其表面相互作用问题的精细计算需求也日渐突出。泡沫铝表面相互作用问题在宏观上可视为经典力学问题,但在微观上则是涉及到原子间相互作用的物理问题。为此,本文研究泡沫铝表面相互作用问题的多尺度模拟方法。对于泡沫铝的宏、细观组织结构,首先建立与材料制备工艺相应的数值模型,作为多尺度模拟的前提。通过具体设计与发泡法和熔模铸造法相应的蒙卡方法,模拟得到了相应的数值试样。通过计算模拟和统计分析大量数值试样的力学性能,得到了不同制备工艺制得的泡沫铝的弹性模量的分散性特点。借鉴代表性体积单元方法(RVE)和完全多格方法(FMG)的思想,采用基于“巨原子”模型的多尺度关联方法,并以简化的物理势场描述巨原子间的关系,设计了原子—巨原子—有限元多尺度算法。以文中已建立的泡沫铝宏、细观组织结构模拟方法生成数值试样。采用IFEPG生成弹性的FEM计算程序,以GID进行相关计算的前、后处理。将FEM计算程序与原子—巨原子模拟程序整合,完成了泡沫铝与理想刚性平面纯弹性接触问题的一个多尺度数值模拟算例。通过算例探讨了与理想刚性平面接触时,泡沫铝接触表面的应力集中情况。计算结果显示泡沫铝在外部接触摩擦下可能出现表面局部应力集中,但是这一情况的出现与材料在原子和巨原子尺度的变形没有显著联系,而主要与泡沫铝内部所具有的宏观可见的孔洞有关。采用IFEPG生成弹塑性的FEM计算程序,对同一个接触算例进行原子—巨原子—有限元多尺度计算,这一模拟在宏观尺度上考虑了材料的弹塑性变形。其结果明显表现出这样的趋势:因塑性变形区的出现,接触面上的切向应力最大值有所减小,切向应力随空间坐标的变化也变得更为平缓。但由于引入了宏观层次的塑性计算,使得计算效率变得很低。在这一点上,泡沫铝弹塑性接触的原子—巨原子—有限元多尺度模拟方法还需大力改进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 泡沫铝及其表面相互作用简介
• 1.3 固体力学多尺度模拟的研究情况概述
• 1.4 本文研究的主要问题及内容
• 第二章 基本理论、方法与应用软件
• 2.1 引言
• 2.2 有关固体表面的描述
• 2.3 接触力学问题多尺度理论基本思路——巨原子模型方法
• 2.4 IFEPG工具软件简介
• 第三章 泡沫铝宏、细观组织结构的蒙卡模拟
• 3.1 引言
• 3.2 泡沫铝宏、细观组织结构的MC模拟
• 3.3 泡沫铝力学性能的随机性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 泡沫铝弹性接触问题的多尺度模拟
• 4.1 引言
• 4.2 泡沫铝表面形貌的模拟
• 4.3 表面层接触的巨原子模型模拟
• 4.4 算例与结果讨论
• 第五章 泡沫铝弹塑性接触问题的多尺度模拟
• 5.1 引言
• 5.2 弹塑性接触应力的多尺度模拟
• 5.3 算例与结果分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要研究内容与结果
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 编制的FORTRAN源程序
• A.1 多尺度计算程序主程序
• A.2 生成宏、细观组织结构模型的MC方法程序
• A.3 向IFEPG中写入宏、细观组织结构几何模型的程序
• A.4 生成自仿射不规则碎片形表面模型的程序
• A.5 原子与巨原子格阵相关程序
• 附录B 读研期间的相关工作与结果
• B.1 负责和参与的科研课题情况
• B.2 撰写的科研报告和发表的论文
• B.3 参加学术交流情况
• B.4 社会活动与获奖情况
• 附件