微-納尺度接觸行為的多尺度模擬研究.pdf

1、隨著微/納機電系統(tǒng)(M/NEMS)的日益微型化，表面力(例如表面粘著力和摩擦力等)已成為決定系統(tǒng)性能的重要因素。M/NEMS中存在的嚴重表面粘著、摩擦磨損問題，仍然是阻礙M/NEMS產(chǎn)品進入市場的關鍵問題。因此，研究微/納尺度下的接觸行為，將其應用于M/NEMS系統(tǒng)的設計和制造對納米科學的發(fā)展具有重要意義。多尺度模擬作為一種計算實驗方法，可以對理論分析和實驗觀測都難以了解的現(xiàn)象做出一定的解釋，是研究M/NEMS接觸行為中粘附作用與表面形

2、貌對接觸行為影響的一種有效方法。
　　 本文簡述了跨原子/連續(xù)介質(zhì)多尺度方法的基本原理，介紹了耦合分子動力學模擬和有限元分析的橋域多尺度算法。在分析現(xiàn)有多尺度模擬軟件的基礎上，選擇了實現(xiàn)橋域多尺度算法的Libmultiscale軟件。在開源多尺度模擬軟件Libmultiscale的框架上，改進了該軟件功能和性能上存在的一些缺陷，解決了計算效率較低、計算精度不高，不能輸出應力等問題，為后面進行微/納尺度接觸行為的多尺度研究提供了模

3、擬工具。
　　 應用橋域多尺度算法和改進后的Libmultiscale軟件，模擬了三維剛性球形壓頭與光滑基體表面的納米接觸行為，并與全原子模型的分子動力學模擬結果進行了比較，以考察橋域多尺度算法和軟件是否適用于微/納尺度接觸行為的研究。結果表明，該算法能夠?qū)⒃訁^(qū)的位移、應力等連續(xù)的過渡到連續(xù)介質(zhì)區(qū)，具有較好的耦合效果。在給定外載荷下橋域多尺度算法能較快達到平衡狀態(tài)，且壓頭的振蕩幅度更小，系統(tǒng)初始溫度為0K時該算法的相對誤差最小

4、。在準靜態(tài)加載過程中，法向力.壓頭位移和接觸半徑-壓頭位移曲線幾乎與分子模擬結果相重合，表明橋域多尺度算法在彈性變形范圍內(nèi)具有較高的計算精度。
　　 在獲得較好精度的基礎上，應用橋域多尺度算法模擬了剛性平面壓頭與分形表面之間的接觸行為?？疾炝私佑|面積-載荷的關系、接觸應力分布及概率分布等問題。結果表明：在粗糙表面的接觸中接觸面積與載荷呈線性關系，表面形貌的改變不會影響其線性關系，與連續(xù)介質(zhì)力學中的Greenwood-Willia