一種面向非共格性界面的分級式多尺度力學模型及套用

《一種面向非共格性界面的分級式多尺度力學模型及套用》是依託東南大學，由糜長穩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：一種面向非共格性界面的分級式多尺度力學模型及套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：糜長穩
• 依託單位：東南大學

中文摘要

在力學範疇內固體界面效應是指界面自由能、界面應力與力學回響性能對複合材料的宏細觀力學行為的影響和修正，其思路是研究由引入界面相所誘發的空間尺度依賴關係。本項目擬運用細觀力學、分子力學和分級式多尺度框架等現代力學理論與計算方法研究非共格性界面效應分析中幾個具體的關鍵問題，圍繞界面的熱力學和力學回響特性在細觀和納觀尺度下的合理表征，揭示固體間界面特性在納觀尺度下的物理根源，進而探討其在細納觀尺度下的關聯和耦合，完備細觀尺度中組建的非共格性界面力學模型。再與經典細觀力學理論體系通過一般曲線坐標中的曲面和空間映射分析實現耦合，建立以界面力學效應分析為中心的分級式跨細納觀尺度計算力學理論和方法，並套用於一類具有明確解的經典細觀力學問題的界面力學效應研究中。項目研究目標的實現將增加納米複合材料宏細觀力學性能對增強體與基底之間的界面基本熱力學參數和力學回響性能依賴關係的理解。

結題摘要

理論和實驗均已表明，表界面殘餘應力、表界面應力、表界面薄膜剛度、表界面彎曲剛度等表界面力學性能對納米材料和結構的應力分布和巨觀力學性能具有重要影響，影響的強度隨納米材料和結構特徵尺寸的減小而迅速增強。在項目執行期內，首先，本項目採用大規模分子動力學計算機模擬，計算了多種典型bcc和fcc晶面/晶界的表界面自由能、表界面應力和表界面薄膜剛度係數。其次，在細觀尺度下對固體表界面的力學回響行為進行了分析，定義了表界面應變、表界面應力、表界面本構關係、表界面應力的散度和表界面應力平衡關係，並推導了正交曲線坐標系中一般空間曲面上這些表界面彈性場對表界面位移及其表界面梯度的顯性表達。再次，實現了納觀尺度和細觀尺度下的界面彈性剛度係數之間的關聯，重點解決了晶面/晶界的各向異性本質與細觀模型中各向同性基本假設之間的矛盾。最後，基於所建立的分級式多尺度計算力學模型，針對兩類經典細觀力學問題開展了套用研究，重點分析了表界面殘餘應力、表界面薄膜剛度和表界面彎曲剛度等參量對經典解答的影響和修正效應，明確了這些參量在納米材料和結構力學性能分析中的角色。通過坑洞/夾雜的表界面力學性能最佳化設計，能夠極大改善彈性基體中的應力分布和應力集中，當表界面殘餘應力和彈性剛度係數為正值時，應力分布趨於平緩，應力集中降低，納米材料和結構的等效力學性能得到最佳化，反之納米材料和結構則更易失效。對於納米接觸力學問題，當只考慮接觸邊界的薄膜剛度時，接觸應力明顯被高估，相應地，接觸剛度明顯被低估。由於接觸邊界彎曲剛度的引入，經典細觀力學的解答可以得到進一步修正，與工程實際更加貼合。截至2018年12月，本項目總計發表了標註項目批准號的SCI論文14篇，其中含JCR一區論文6篇。在項目執行期內，項目負責人總計參加14次國內外力學學術會議並做報告，其中含國際會議4次。依託本項目，在項目執行期內已培養畢業博士生2名、畢業碩士生4名、指導本科畢業論文10篇。