固体塑性实验室时间尺度的分子动力学模拟概述

随着超级计算机软硬件的飞速提升,基于经验势函数的分子动力学模拟在解析固体塑性的微观机制方面发挥着关键作用。但是,由于传统分子动力学基于牛顿运动方程数值积分,积分时间步长通常为飞秒量级,其模拟的时间尺度通常限于纳秒量级,从而为模拟长时间尺度固体塑性机制带来了巨大的挑战。本文从分子动力学模拟的时间尺度限制切入,介绍目前国际流行的几种实验室时间尺度原子模拟技术,并以晶体位错塑性与非晶态物质扩散和剪切转变塑性为例,阐述实验室时间尺度和原子精度计算机模拟的思想与实施步骤。最后,展望了目前加速分子动力学方法普遍存在的问题,并提出可能的解决方案。

水中悬浮隧道锚索的非线性涡激振动研究

建立了水中悬浮隧道锚索在波流场中涡激振动的非线性数学模型,考虑了锚索的几何非线性对其涡激振动的影响,并应用有限差分法求解了锚索的运动控制方程。计算结果表明:锚索在顺流向和横向2个方向运动的耦合作用特别是几何非线性作用的引入,抑制了部分高阶模态的激发,使锚索横向涡激振动的振幅减小,顺流向振动的振幅增大;在悬浮隧道的振动引起的强迫激励和参数激励作用下,锚索顺流向涡激振动振幅显著增大,横向涡激振动出现"拍"的现象。

几种高性能纤维束的冲击动力学性能实验研究

利用直拉式Hopkinson装置研究了碳纤维、无碱E玻璃纤维、Kevlar 4 9/96 4 /96 4c、Twaron2 0 0 0、DyneemaSk6 6等纤维的动态拉伸性能。与准静态加载条件下相比 ,纤维束的拉伸强度基本与应变速率无关(玻璃纤维除外 ) ,而纤维束的弹性模量和失效应变随应变率的升高而明显变大。从高分子物理以及两种无机纤维的内部微观结构特征对纤维的力学性能与加载速率的关系进行了初步的物理阐释。讨论了实验数据的发散原因。

平面可压基频涡卷非线性演化行为数值研究

采用高精度迎风／对称紧致混合差分算法，对可压自由剪切层转捩区中的几种典型展向 大尺度涡作用型态进行了直接数值模拟．通过施加给定来流条件下的线性最不稳定动性基频扰 动及其亚谐扰动，以被动守恒标量技术给出了基频涡卷的饱和、撕裂、融合以及三涡对并等细 节结构．分析显示，亚谐扰动相差是促生基频涡卷不同非线性演化过程的重要因素之一，可对 扰动能量的发展变化，以及剪切层厚度和混合效率产生直接影响．计算结果同实验流动显示图 像十分相似，表明了主导线性扰动的非线性耦合效应与一些实际涡作用行为间的内在联系．

薄膜非线性撕裂三种弯曲模型的解答及讨论

针对薄膜非线性撕裂的弯曲模型,引入了3种表征薄膜撕裂过程的双参数准则.这3种表征分别为:(1)界面断裂韧度和分离应力; (2)界面断裂韧度和薄膜的裂尖转角; (3)界面断裂韧度和薄膜在裂尖的临界Mises等效应变.从3种双参数准则入手,分析并给出了针对上述各准则的薄膜非线性撕裂问题的解答.通过分析和比较,建立弯曲模型解答与严格平面应变弹塑性分析解答之间的关联.

利用重正化群方法推导非线性Reynolds应力模型

近年来,Rubinstein和Barton利用Yakhot和Orszag湍流重正化群方法推导非线性Reynolds应力模型,但是他们分析计算过程中存在着一些不自洽的地方.文中利用重正化群方法,对Reynolds应力的数学表达式作二阶微扰展开,从理论上推导得到非线性Reynolds应力模型,其数学形式与从量纲分析和数学物理性质的合理性讨论得到的通用模型形式完全相同,另外从理论上计算了各待定湍流常数.

金融危机传染的非线性相似模型

采用相空间重构和改进符号的非线性动力学相似性模型,研究了2007—2012年全球金融危机前后美国与英国、法国、德国、日本、中国金融股指的相似性.计算数据表明,各国的市场指数都在不同时段和不同程度对美国指数表现出动力学相似性,即经济繁荣阶段,美国经济影响其他国家;金融危机时期,危机也确实从美国传染到了他国市场.模型计算的走势及反应的现象证明使用改进符号的非线性动力学相似性模型适用于金融市场,是一种研究金融危机传染的可行新方法.

自旋摩阻动力学模型与实验研究

设计环形摩擦片在变法向力和恒定法向力两种情况下的自旋摩阻实验,验证经典自旋摩阻模型在接触区域法向接触力连续变化条件下的适用性,研究局部摩擦性质的速度依赖性对自旋摩阻的影响,建立基于Stribeck效应的自旋摩阻模型。该模型对精确分析包含相对转动的空间运动体动力学具有重要意义。

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

作为微纳尺度的力学工具,原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究,推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针,原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量,研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法,以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用,分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响,并对该领域的发展进行了展望。

AFM针尖压入测量中的非线性效应

根据AFM(Atomic-Force Microscope原子力显微镜)实验得到的典型压入曲线给出了一种标定电压-挠度转化系数的方法。对压入曲线进行常规的数据处理,结果显示在起始段和末段各有5nm左右的名义压入深度。然而,有限元计算结果表明上述名义压入深度并非真正的针尖压入样品的深度。通过悬臂梁响应、光线传播、四象限接收器等几个方面的非线性效应分析,得到了实验中各部分非线性效应对实验结果的影响方式和误差范围,从而发现压入实验中四象限接收器上光斑相对移动引起的非线性效应是造成错误判读压入深度的重要原因。最后,对如何减小测量误差和如何在一定误差范围内得到可靠的实验结果给出了一些建议。

多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的动力学响应分析

为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果,对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和试验研究:通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析,基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型,构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型,给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程,并结合龙格-库塔方法对方程进行了数值求解;基于三维Voronoi技术,开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟;在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究,结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明:耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强;在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下,同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应,这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载,多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略;相较于均匀多胞子弹,梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐,在其衰减过程中展现出更强的非线性特征。

探索微纳尺度润湿动力学:长针式原子力显微镜的应用与进展

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的精准操控和小尺度力学测量等优势,结合长针式探针组装成的微流变计可以直接测量气-液-固三相接触线上的毛细力,并监测探针在垂直方向运动中力的动态变化.通过该技术手段,可以实现对流体界面的动力学行为以及各类材料在液体环境中力学性质在微纳尺度的精确表征.文章将系统介绍长针式原子力显微镜技术的实验原理和方法,及其在微纳尺度非理想界面润湿动力学中的最新研究进展,包括低能垒表面毛细力的速度依赖性与非对称性、无序粗糙表面接触线黏滑运动的统计学规律、柔性表面接触线动力学的状态与速度定律、以及离子液体-金属界面处电场对接触角迟滞的调控等,最后展望了该技术在新兴领域中的应用.该实验手段为检验各类理论模型与数值模拟提供了可信数据,为探究界面上复杂现象的物理本质提供参考.

力学等效仿真股骨的微结构设计与生物力学等效性研究

目的针对现有进口仿真骨无法精确复现松质骨非均匀性、各向异性,以及骨质骨型与中国人骨存在较大差异的问题,研发符合中国人骨特点的新型力学等效仿真骨Mbone,并验证其力学等效性。方法首先,以人股骨头松质骨为研究对象,使用临床CT灰度值(Hounsfield单位)表征了松质骨的各向异性力学参数;之后,以Gyroid曲面为基础设计多孔结构,通过有限元分析得到其结构参数对宏观力学参数的影响规律;进一步的,通过多孔结构和人松质骨力学参数的联立求解,发展了基于临床CT的松质骨力学等效多孔结构个性化设计方法;最后,分别通过股骨头植入物压入试验和整骨力学试验,验证了该新型仿真股骨局部和整体力学性能的等效性。结果和结论仿真股骨头与人体股骨头植入物压入刚度偏差小于15%,峰值载荷偏差小于5%。整骨受压时,Mbone股骨压缩刚度比进口合成骨高7.2%,破坏载荷在尸体骨范围内;由于中西方人骨型差异,Mbone股骨中段内后侧压应变明显高于进口合成骨,这与理论分析结果一致。整骨受扭时,Mbone股骨内旋刚度比进口合成骨低6.7%,外旋刚度低18.3%。Mbone仿真股骨在松质骨-植入物相互作用以及整骨力学性能上均具备良好力学等效性,且更符合中国人的骨质和骨型。

被动标量湍流混合的实验研究方法与进展

湍流混合与日常生活和工程应用息息相关,研究湍流混合对湍流理论及湍流燃烧、化学工程等重要领域具有重要意义。在湍流混合的实验研究方面,传感器技术和非接触式(光学)测量技术的发展促进了人们对湍流混合多尺度、非线性过程的深入研究和机理认知。本文介绍了标量场湍流混合实验中较为常用的瑞利散射技术和激光诱导荧光技术,着重讨论了提高后者空间测量分辨率的方法,可为湍流混合的二维高分辨率精细化测量提供思路。另外,从实验测量角度对小尺度混合的标度律(黏性−对流区)、标量场的概率密度函数和标量场混合界面的分形维数等方面进行了介绍,旨在结合被动标量湍流混合基础理论简要介绍相关实验研究方法与进展。

循环载荷下大试件岩石破坏声发射实验——岩石破坏前兆的研究

岩石等脆性材料在加载过程中,随着载荷的增加,材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具,它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展,这是其他任何方法都不具有的优势。在三轴应力条件下进行了大尺度岩石(片麻岩)破坏声发射实验,试件尺寸达1.05 m。为了模拟日、月潮汐力对地球的加载和卸载作用,在某一固定水平的轴向压力作用下,叠加上循环载荷。实验过程中记录到大量的声发射信息,它能够反映岩石试件内部每一个损伤(微裂纹)发生的时间、地点和强度。利用声发射记录研究了预测岩石宏观破坏的 2 种前兆现象:能量加速释放及加卸载响应比剧增,为地震预测提供了实验依据。同时还发现,实验中存在声发射的 Felicity 效应。

MEMS材料力学性能的测试技术

微电子机械系统（MEMS）技术的迅速崛起,推动了所用材料微尺度力学性能测试技术的发展.首先按作用方式将实验分成压痕/划痕、弯曲、拉伸、扭转四大类,系统介绍检测MEMS材料微尺度力学性能的微型试样、测试方法及其实验结果.测试材料主要有硅、氧化硅、氮化硅和一些金属.实验结果主要包括基本的力学性能参数如弹性模量、残余应力、屈服强度、断裂强度和疲劳强度等.最后,简要分析了未来的发展需求.

纳米晶铜单向拉伸变形的分子动力学模拟

纳米材料是由尺度在１～１００ ｎｍ的微小颗粒组成的体系，由于它具有独特的性能而备受关注．本文简要地回顾了分子动力学在纳米材料研究中的应用，并运用它模拟了平均晶粒尺寸从１．７９～５．３８ｎｍ的纳米晶体的力学性质．模拟结果显示：随着晶粒尺寸的减小，系统与晶粒内部的原子平均能量升高，而晶界上则有所下降；纳米晶体的弹性模量要小于普通多晶体，并随着晶粒尺寸的减小而减小；纳米晶铜的强度随着晶粒的减小而减小，显示了反常的Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ效应；纳米晶体的塑性变形主要是通过晶界滑移与运动，以及晶粒的转动来实现的；位错运动起着次要的、有限的作用；在较大的应变下（约大于５％），位错运动开始起作用；

遥感-岩石力学(III)——交汇断层粘滑的热红外辐射与声发射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之三即交汇断层粘滑发震为模拟对象,利用双轴加载实验系统和红外热像仪对自然界经常出现的断层组合模式——不同交汇角度的组合断层的物理模型进行了室内加载实验,利用红外热像仪和声发射仪分别测定了加载过程中试样表面的红外辐射及断层活动的声发射时间序列。结果表明:(1) 声发射及红外辐射的时间序列特征受加载过程中试样的力学行为所控制,并表现出阶段性变化特点;(2) 声发射与红外辐射特征与断层几何结构有密切关系,当主应力与主断层成45°角时,红外辐射异常区主要沿主断层发育;(3) 垂直交汇的断层与斜交断层的声发射及红外辐射特征有明显差异,交汇角度(1°～90°)越大,交汇点处的红外辐射异常越明显。

固体的统计细观力学—连接多个耦合的时空尺度

从固体力学所面临的新的挑战——多物理、多尺度耦合及其现状的描述开始,以层裂过程为例,说明了这些多尺度非平衡问题的基本困难在于,在固体中不同尺度上有不同的微结构层次及不同的演化物理和速率．接下来,概述了一些针对这一困难的独特的思路及其成果．第3部分强调了一些统计平均方法的范式,以及处理包含多个时间和空间尺度的问题的新思路,特别是非平衡损伤演化导致宏观失效的问题．在第4部分,简要评述了一些连接多个空间和时间尺度的细观力学框架,如位错理论,物理细观力学,Weibull理论,随机理论等,并且阐述了其中蕴含的跨尺度耦合的机理．然后,在第5部分,回到了描述损伤演化过程的框架,也就是统计细观损伤力学以及它的跨尺度封闭近似．基于这些跨尺度框架,在第6部分,对控制跨尺度耦合的可能机理进行了评述和比较．由于对失效时灾变的洞察与跨尺度强耦合紧密相关,一些非平衡和强相互作用的新概念在第7部分进行了讨论．最后, 以一个简短的总结和一些建议结束．

水下超声速气体射流回击现象的实验研究

对水下超声速气体射流的动力学行为进行了实验研究．通过流动可视化揭示了回击现象的演化过程,利用探针排获得了射流近场区的脉动压力分布,实验结果表明:在超声速喷管出口两倍直径处,射流形貌的变化导致气体中出现了大幅值压力脉冲．通过流场可视化与压力测量的同步校验,证实了喷口端面处回击事件与流场气相区中压力脉动之间相关性．