石墨烯/铝基复合材料在纳米压痕过程中位错与石墨烯相互作用机制的模拟研究

石墨烯因其优异的力学性能已成为增强金属基复合材料的理想增强体.然而,目前对石墨烯/金属基复合材料在纳米压痕过程中嵌入石墨烯与位错之间的相互作用仍不清晰.本文采用分子动力学模拟方法,对90°,45°和0°位向的石墨烯/铝基复合材料进行了纳米压痕模拟,研究了压痕加载和卸载过程中石墨烯/铝基复合材料的位错形核及演化,以获取不同位向的石墨烯与位错的相互作用机制,并分析其对塑性区的影响.研究发现,石墨烯可以有效阻碍位错运动,并且石墨烯会沿着位错滑移方向发生弹性变形.在纳米压痕过程中,位错与不同位向石墨烯之间的相互作用差异导致塑性区的变化趋势不同.研究结果表明,在石墨烯/铝基复合材料中,位向不同的石墨烯对位错阻碍强度和方式不同,且石墨烯位向为45°的复合材料的硬度高于其他模型.此外,石墨烯/铝基复合材料的位错线总长度的演化规律与石墨烯位向紧密相关.本文研究可为设计和制备高性能石墨烯/金属基复合材料提供一定的理论指导.

光滑粒子流体力学方法在流体、固体和生物力学中的应用

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)作为最早发展的无网格粒子方法之一,对于模拟爆炸、冲击等涉及大变形问题,具有广阔的发展前景.本文对SPH方法在流体、固体和生物力学领域的改进算法和工程应用进行了全面介绍.阐述了SPH的基本理论和高精度SPH改进算法,分析了流体、固体和生物力学领域的改进技术.在模拟流体问题时,采用δ-SPH和GSPH方法解决了流体不稳定性的问题,并且讨论了流固耦合中的界面接触方法.针对固体的数值模拟,总结了三种传统改进方法(如应力点法、守恒光滑法、人工应力法)和Total Lagrangian SPH方法,改善了拉伸不稳定性问题;在生物力学方面,阐述了SPH控制方程和相互作用力的计算方法.本文综述了近年来SPH方法的应用进展,包括复杂海洋工程中的流固耦合问题,固体领域的天体、岩土力学、爆炸冲击以及增材制造等工程应用和生物力学中血流动力学、肠道健康和植物生长等典型应用;并分析了国内外SPH软件的发展,介绍了多尺度自适应分辨率方法、并行计算方法和网格自动生成技术来克服数值模拟方法在计算效率和计算规模上的限制.最后对目前存在的问题进行总结与展望,包括提高SPH算法的数值精度、如何精确描述固体的损伤与断裂问题和计算精度与效率之间的平衡等.在未来研究中,建立多尺度耦合SPH模型和深度学习将是进一步拓宽SPH方法应用的重要方向.

基于分子动力学模拟的铜锆晶体/非晶双相纳米复合材料力学行为

金属玻璃因其较差的室温塑性限制了其广泛应用,因此提升金属玻璃的力学性能、探明金属玻璃的变形机制已经成为当前材料领域的研究热点。采用分子动力学方法研究了晶粒尺寸和分布对晶体/非晶B2-CuZr/CuZr双相复合材料力学行为的影响。研究结果表明,随着纳米晶粒的尺寸增大,复合材料变形模式发生了从相对均匀变形到单一剪切带的局部变形的转变。研究指出,增大纳米晶粒尺寸/体积分数能有效提高复合材料的峰值应力,但除了较小尺寸纳米晶粒模型外,双相复合材料的塑性没有明显增强。此外,相对于交叉排列,纳米晶粒的对齐排列导致了更严重的塑性应变局部化。本文的研究结果对于设计和制备高性能的金属玻璃材料具有重要的参考价值和指导意义。