材料變形與破壞的多尺度分析

《材料變形與破壞的多尺度分析》適合從事固體及計算力學、材料、生物、機械與航空等工程研究與套用的科技工作者閱讀使用，也可作為高等院校相關專業研究生和高年級本科生的教材與參考書。

基本介紹

• 書名：材料變形與破壞的多尺度分析
• 作者：范鏡泓
• ISBN：9787030216854
• 出版時間：2008-05-01

內容簡介

本書清晰地闡述了多尺度結構性能關係的概念。在介紹量子理論和分子動力學經驗方法的基礎上，范教授深入地探討了如何把這些方法與粗晶粒和連續介質模型相結合，並套用到工程上所關心的大尺度問題中，以滿足器件與產品的設計要求。該書進一步強調了機械性能的多尺度模型，深入淺出地介紹了多尺度材料變形和破壞分析這一交叉學科領域，並特別留意了讀者主動吸收信息、深入理解思考以及展望前景所需的知識與方法。

圍繞將多尺度分析分為兩大類以形成大範圍分析框架的思路，本書闡述了分子動力學要義及其與量子力學的能量聯結，評介了跨原子/連續介質的多尺度分析方法，闡述了提出的嵌套與耦合串列式跨微/細/巨觀分析的原理與方法，並以復相彈塑性與損傷複合材料為例，介紹了相關的概念、步驟、結果及其與實驗的比較。

出版信息

版 次：初版

開 本：小16開

包 張：精裝

作者簡介

范鏡泓畢業於上海交通大學造船工程系，於美國辛辛那提大學先後獲得碩士與博士學位。1983年回國後長期擔任重慶大學教授，曾在上海交通大學、喬治亞理工學院擔任兼職教授及高級科學家，現任美國阿爾弗雷德大學終生教授及重慶大學材料工程力學研究中心主任。研究領域包括材料本構關係理論、塑性力學及多尺度分析。主持過多項與上述領域相關的國家自然科學基金項目，發表論文140佘篇，出版了《非線性連續介質力學基礎》，主持了國際非均質材料力學會議。

目錄

序

Preface

前言

第1章導論

1.1材料的特性源自材料的原子結構與微觀結構

1.2多尺度分析的研究目標、內容及串列式與並行式的研究方法

1.3材料設計中多尺度分析方法的選擇

1.4兩類空間多尺度問題及時問多尺度

1.4.1兩類空間多尺度問題

1.4.2兩類問題的基本區別

1.4.3時間多尺度問題

1.5不同套用背景下多尺度問題的示例

1.5.1珠光體鋼軌鋼力學行為的微、細、巨觀多尺度分析

1.5.2生物活躍材料與人體醫療植入物的多尺度分析

1.5.3納米陶瓷塗層抗腐蝕的多尺度分析

1.5.4波形蛋白質纖維的嵌套結構與多物理、多尺度性能

1.5.5材料脆韌轉換分析中原子尺度與連續介質尺度的連線

1.6國際上多尺度分析的發展概況

1.6.1總的態勢

1.6.2跨原子/連續介質(第一類)多尺度分析

1.6.3跨連續介質微/細/巨觀(第二類)多尺度分析

1.6.4時間多尺度分析

1.6.5存在的問題及所作的努力

1.7兼顧前瞻性的內容設定

思考與探索

參考文獻

第2章分子動力學要義及其與量子力學的能量連線

2.1分子動力學的發展概況及其重要性

2.1.1從發展趨勢看研究分子動力學的意義

2.1.2分子動力學的一些研究領域

2.1.3分子動力學的時空尺度

2.2分子動力學的運動方程、勢能函式、力與應力

2.2.1質點運動的拉格朗日方程

2.2.2勢能函式U及作用於原子上的力與應力

2.3分子動力學的算法及其精度

2.3.1數值積分過程

2.3.2差分表達式

2.3.3Vetlet數值算法、精度分析及簡例

2.3.4其他常用的算法

2.4力的計算與邊界條件的處理

2.4.1分子動力學程式中力的計算算法

2.4.2分子動力學程式中力的並行算法

2.4.3分子動力學中邊界條件的處理方法

2.5多體互動作用與嵌入原子法

2.5.1考慮多體作用的Tersoft與Brenner對勢

2.5.2嵌入原子法

2.6陶瓷材料分子動力學模擬

2.6.1引言

2.6.2Born固體模型與考慮極化的殼體模型

2.7如何確定經驗勢中的參數

2.7.1LJ對勢函式參數e與a的估算

2.7.2LB混合律對指數勢及Morse勢三參數的估算

2.7.3陶瓷氧化物勢函式及其參數的確定

2.7.4用於研究磷酸鹽生化活躍材料的勢函式

2.7.5分數式離子鍵固體勢函式

2.8如何確定分子動力學模型的原子結構坐標及進行圖形顯示

2.8.1分子動力學模型原子結構坐標的確定

2.8.2分子動力學的圖形顯示

2.9如何採用軟體進行分子動力學的計算

2.9.1DL_Poly軟體簡介

2.9.2DL_Poly_2.18的檔案庫及輸入檔案的內容

2.9.3DL_Poly_2.18的輸出檔案

2.10量子力學與分子動力學的能量連線

2.10.1原子內的能量平衡及量子力學的基本概念

2.10.2分子動力學與量子力學的耦合

2.10.3薛丁格方程求解孤立原子的能量

2.10.4耦合系統的能量

2.10.5求解量子力學基本方程實現耦合的三種基本方法

2.10.6緊束縛方法

2.10.7Hartree-Fock理論及其相關的方法

2.10.8電子密度泛函理論

2.11實例：納米塗層及植入物與液體界面分析中的分子動力學計算

2.11.1基本方法

2.11.2對勢函式的確定

2.11.3氮化鐵與基體鐵界面剪下抗力的計算

2.11.4植入物與水一蛋白質系統界面的分子動力學計算

參考文獻

第3章跨原子/連續介質多尺度分析

3.1引言

3.2跨第一原理/原子/巨觀多尺度變形與破壞分析

3.2.1模型區域的分割及其耦合

3.2.2系統的總哈密頓量及其分解

3.2.3握手區的一般設計及MAAD的特點

3.2.4MAAD存在的問題

3.3一維模型

3.3.1FE/MD耦合運動方程的推導

3.3.2分子動力學與有限元耦合的數值例子

3.4Cauchy-Born法則及跨原子一連續介質尺度的解析方法

3.4.1Cauchy-Born法則

3.4.2關於Cauchy-Born法則精度的討論

3.4.3基於Cauchy-Born法則的跨原子/連續介質尺度的解析方法

3.4.4解析方法的套用

3.5變形與破壞的擬連續介質多尺度分析

3.5.1QC方法的基本模型及能量計算

3.5.2QC方法邊界的不協調性及鬼力

3.5.3QC方法的特殊貢獻

3.5.4全部非局部化的QC方法

3.6QC與離散位錯動力學耦合的多尺度分析

3.6.1基本模型

3.6.2解法：三種邊值問題的疊加

3.6.3過渡區的處理及位錯穿越過渡區

3.7用於動力學模擬的搭接區多尺度分析

3.8用於動力學模擬的橋接區多尺度分析

3.8.1位移場在兩個不同尺度的分解

3.8.2運動的多尺度方程及其討論

3.8.3橋接法多尺度框架及廣義朗之萬方程

3.8.4數值例題

3.8.5對橋接法的簡短評論

3.9幾種模型界面不協調性的比較

參考文獻

第4章廣義質點動力學多尺度模擬方法

4.1引言

4.2廣義質點動力學方法的多尺度幾何模型

4.2.1多尺度區的形成

4.2.2廣義質點的級別與其表征的原子數的定量關係

4.2.3模型實例

4.3逆映射法求解廣義質點系動力學方程

4.3.1對等價剛度規則的質疑

4.3.2映射與逆映射

4.4多尺度區的自然邊界條件

4.4.1原子區與連續介質區邊界的內稟不協調性

4.4.2廣義質點動力學各尺度區問的自然邊界

4.5廣義質點動力學方法的驗證

4.6廣義質點動力學方法的初步套用

4.6.1相變

4.6.2相變的機制

參考文獻

第5章串列嵌套式多尺度方法及復相材料循環彈塑性多尺度分析

5.1引言

5.2跨微/細/巨觀三尺度分析的基本框架及尺度間的信息傳遞

5.3基於改進的自洽模型的細一巨觀定量關係

5.3.1改進的自洽模型

5.3.2基於改進的自治方法的宏/細觀定量關係

5.4非均質材料組成相的彈塑性本構關係

5.4.1帶耗散的彈簧滑塊模型對彈塑性材料本構關係的描述

5.4.2描述塑性回響的遺傳型本構方程

5.4.3經典塑性理論及其非經典塑性理論的比較

5.5基於微觀分析的微一細觀定量關係

5.6基於原子位錯分析的微觀尺度塑性參數及其尺度效應

5.7由細觀塑性應變決定巨觀參量的數值方法

5.8復相材料循環彈塑性尺度效應的試驗研究

5.9多尺度分析數值結果及其與試驗結果的比較

參考文獻

附註5A

附註5B

第6章串列耦合式多尺度方法及損傷層合複合材料的多尺度分析

6.1引言

6.2通過中間單元體聯繫大小尺度的串列嵌套式多尺度模型

6.2.1無損傷的條件下層合板(巨觀)與片層(細觀)的連線

6.2.2微觀單元體等效本構方程與基體、纖維特性的關係

6.3損傷層合複合材料串列耦合式多尺度分析

6.3.1複合材料迭層方式對損傷起始及演化影響的試驗結果

6.3.2含損傷時層合複合材料多尺度分析的特點

6.3.3損傷層片等效本構方程的形式

6.4細/巨觀耦合模型及在位損傷函式的確定

6.4.1等效約束模型

6.4.2沿每一片層厚度的平均

6.4.3沿單元體寬度方向的平均過程，二維剪下滯後模型

6.4.4在位損傷函式的確定與表達式

6.4.5串列耦合式與串列嵌套式多尺度分析方法的區別

6.5基於損傷準則的串列耦合式多尺度破壞分析

6.6計及基體開裂演化的多尺度分析的計算結果及討論

6.6.1沿縱向(y向)受拉伸時[O/90]s類型層合板就地損傷函式Azz及A66的確定

6.6.2沿縱向受拉伸載荷時[O/90]s類型層合板剛度的下降

6.6.3損傷裂紋的起始與演化

6.6.4多尺度模型的預言及其與試驗結果的比較

參考文獻

附註6A

附註6B

附錄A原子與生物大分子的結構、排列及其運動

A.1原子的基本結構與電子結構

A.1.1原子的結構

A.1.2原子的電子結構

A.2原子的鍵連線

A.2.1金屬鍵

A.2.2共價鍵

A.2.3離子鍵

A.2.4范德瓦耳斯鍵

A.2.5混合鍵連線

A.2.6鍵能量與原子間距

A.2.7對原子結構的小結

A.3原子的排列布置與單元晶胞

A.3.1三種級別的原子布置

A.3.2單元晶胞

A.4晶體結構的點、方向與平面

A.4.1點的坐標

A.4.2晶體的方向

A.4.3晶面的表征

A.4.4滑移系

A.5原子的穩定性與擴散

A.5.1擴散的描述

A.5.2擴散的機制

A.6蛋白質材料的結構

A.6.1蛋白質的多肽(polypeptides)鏈結構

A.6.2由側鏈R決定的20種胺基酸的三組類型

A.6.3胺基酸的其他結構特點

A.7脫氧核糖核酸(DNA)的結構

A.7.1生物大分子與結構形成的一般規則

A.7.2核糖核酸(RNA)與脫氧核糖核酸(DNA)的結構

參考文獻

附錄B對比與評鑑：RCMM多尺度分析工作學術評論匯集

卷後語