多尺度模擬計算及平臺開發(fā).pdf

1、接觸行為的研究是摩擦學的基礎問題，是分析摩擦、磨損和潤滑問題的基礎。微/納尺度接觸行為下的高粘附、高表面作用能是制約微納米器件應用和推廣的重要因素，研究微/納接觸、摩擦原理，將其用于指導MEMS系統(tǒng)的設計和制造對促進納米科技的發(fā)展具有重要作用。多尺度方法既能有效提高計算效率又能獲得模擬中的局部細節(jié)，近年來得到了較大的發(fā)展，并開始應用于微/納接觸行為的模擬研究。分子動力學只能對探頭和基體接觸的模型進行模擬，利用多尺度方法則能實現(xiàn)粗糙表面接

2、觸行為的模擬。
　　本文將著重研究將基于并行計算的多尺度算法用于微/納表面接觸問題模擬的實現(xiàn)問題，開發(fā)擁有高精度和高效率的多尺度模擬軟件，為多尺度方法的進一步應用奠定基礎。簡要概述了跨原子和連續(xù)介質(zhì)多尺度方法的基本原理，在Linux系統(tǒng)下，搭建了集群并行計算系統(tǒng)。闡述了Libmultiscale軟件的計算流程，以此建立軟件的構(gòu)架，完成了Libmultiscale的安裝。采用EAM勢能函數(shù)建立了銅材料的球形探頭與光滑表面基體的接觸模

3、型，對Libmultiscale的模擬精度和效率進行了測試。針對測試中出現(xiàn)的問題，對軟件的算法進行了修改。
　　精度測試結(jié)果表明Libmultiscale能較好的控制模擬中探頭的受力，但探頭位移與分子動力學模擬存在固有誤差，當在原子區(qū)初始溫度為0K時誤差最小。效率測試結(jié)果顯示對原子區(qū)域和有限元區(qū)域采用較為合適的進程分配，能縮短模擬時間。在精度允許的范圍內(nèi)，不管怎樣粗化有限元網(wǎng)格和降低交接區(qū)尺寸，二者在模擬時間上的消耗依然較大。通過

4、對異地節(jié)點信息讀取算法的改變，將有限元區(qū)域的并行效率提高了2倍，在使用36個進程的模擬中，總模擬時間縮短了87％。
　　通過對基于并行計算的多尺度模擬軟件Libmultiscale的開發(fā)和研究，搭建了高效的并行計算平臺，為橋域多尺度方法對有限元節(jié)點力的計算提供了一種基于線性本構(gòu)關(guān)系的新方法，完成了將高性能并行計算應用在微/納粗糙表面接觸模擬中的多尺度軟件的開發(fā)。今后的研究方向在于如何建立更加科學的多尺度模型進行粗糙表面接觸行為的分