《關於納米結構非局部效應的深入探討和對比研究》是依託蘇州大學，由李成擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：關於納米結構非局部效應的深入探討和對比研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李成
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
非局部理論是研究納米力學的有效方法之一，目前該理論及套用領域記憶體在兩類彼此矛盾的模型，即非局部效應削弱模型與增強模型。針對這種矛盾，一方面，直接從非局部高階微分本構入手，深入探尋非局部應力場的結構特徵和影響模式，探討非局部效應的物理內涵和作用趨勢，以及確定非局部材料常數的有效途徑。另一方面，為判別兩種不同的非局部模型的合理性和有效性，採用三種途徑：①完善超薄結構動力學的半連續模型，分析表面原子層的弛豫效應對結構動力學行為的影響，將結果所反映的尺度效應與非局部效應作對比；②在半連續模型的基礎上構建晶格動力學模型，以晶格點陣結構衡量非局部連續體模型；③通過納米結構的分子動力學模擬，獲取簡單結構的動力學行為特徵及演化，進而用模擬結果來驗證理論模型。本項目通過深入探討納米結構的非局部效應，同時以對比研究給出兩種非局部模型的內在成因，為納機電系統中典型結構的性能分析和設計製造提供理論依據。
結題摘要
本項目重點關注非局部彈性領域中的兩種預測結論相反的理論模型，兩種模型引起了研究人員特別是工程技術人員的困惑，因此解決研究中的不一致性，從而統一和澄清理論模型很有必要，正是以此為出發點提出本課題。研究方法包括非局部理論模型研究、半連續原子模型研究、分子動力學模擬等。研究結果證實了兩種非局部彈性理論模型的各自存在性和物理成因，解決了理論領域若干懸而未決的問題，進而為非局部效應、微結構效應等理論預測套用於微納米工程提供參考。具體研究成果包括：（1）基於非局部變分原理，發展了一種新的非局部等效應力理論，以此非局部等效應力理論驗證了非局部彈性領域存在的兩類相反的理論模型各自的存在性和合理性，兩類彼此矛盾的理論模型源於納米結構不同的表面效應表現形式，亦即表面原子間的鬆弛或張緊效應導致了兩類相反的非局部模型，研究成果解決了理論領域的若干爭議並統一了非局部理論模型。（2）針對納米柱體結構及其扭轉受力狀態在納機電系統(NEMS)中的廣泛存在，提出了一種求解納米柱體扭轉問題的無窮高階控制微分方程及其新的解析方法，該解析解得到了已有的實驗驗證，同時也進行相關的分子動力學模擬研究，理論與模擬結果相吻合，並在此研究中證實了納米結構非局部高階邊界條件的存在性。（3）研究了超薄結構的半連續模型。將超薄結構的長和寬視為連續物質組成，而厚度視為離散的原子結構，從而建立了一種半連續模型。通過研究半連續模型的動態自由振動，發現隨著弛豫係數的不同，半連續模型預測的超薄結構的剛度與經典連續介質力學的預測剛度有所不同。當弛豫係數大於1，超薄結構的剛度降低；當弛豫係數小於1，超薄結構的剛度提高。這從另一個理論模型角度驗證了（1）的研究結論。（4）研究了軸向運動納米結構的動力學與穩定性。在NEMS特別是微型傳送帶中，常常有納米結構做軸向運動。研究給出了軸向運動納米結構橫向振動的固有頻率、模態函式、臨界速度、失穩區域等，重點考察了小尺度參數、熱應力以及粘彈性係數對其影響程度，證明了經典的連續介質理論已不再適應於納米力學研究，當材料外特徵尺度接近內特徵尺度時，小尺度效應不可忽略。（5）發展了一種梯度型非局部高階梁理論，並提出一種非局部彎曲新解法。該解法摒棄了以往處理無窮高階控制方程時，僅取前若干項而捨棄其它高階項的缺點。（6）對納米結構的非局部效應做了綜合評述，並以納米懸臂結構的數值算例，揭示非局部效應存在的多樣性。
