微-納尺度接觸行為的多尺度模擬研究.pdf

1、隨著微/納機(jī)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(yán)重表面粘著、摩擦磨損問(wèn)題，仍然是阻礙M/NEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，研究微/納尺度下的接觸行為，將其應(yīng)用于M/NEMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造對(duì)納米科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。多尺度模擬作為一種計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法，可以對(duì)理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(duì)接觸行為影響的一種有效方法。
　　 本文簡(jiǎn)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(dòng)力學(xué)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(chǔ)上，選擇了實(shí)現(xiàn)橋域多尺度算法的Libmultiscale軟件。在開(kāi)源多尺度模擬軟件Libmultiscale的框架上，改進(jìn)了該軟件功能和性能上存在的一些缺陷，解決了計(jì)算效率較低、計(jì)算精度不高，不能輸出應(yīng)力等問(wèn)題，為后面進(jìn)行微/納尺度接觸行為的多尺度研究提供了模

3、擬工具。
　　 應(yīng)用橋域多尺度算法和改進(jìn)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(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)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(jié)果表明，該算法能夠?qū)⒃訁^(qū)的位移、應(yīng)力等連續(xù)的過(guò)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(dá)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(shí)該算法的相對(duì)誤差最小

4、。在準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)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(jié)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(jì)算精度。
　　 在獲得較好精度的基礎(chǔ)上，應(yīng)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(guān)系、接觸應(yīng)力分布及概率分布等問(wèn)題。結(jié)果表明：在粗糙表面的接觸中接觸面積與載荷呈線性關(guān)系，表面形貌的改變不會(huì)影響其線性關(guān)系，與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的Greenwood-Willia