基于分子動(dòng)力學(xué)的鋁材料力學(xué)性能及循環(huán)外載對(duì)其影響的研究.pdf

1、金屬構(gòu)件在焊接、沖壓、鑄造和其它許多加工中，均有可能形成殘余應(yīng)力。在許多情況下，殘余應(yīng)力的存在會(huì)對(duì)構(gòu)件的機(jī)械性能產(chǎn)生極為不利的影響，振動(dòng)時(shí)效工藝是近四五十年來(lái)國(guó)內(nèi)外興起的一種高效環(huán)保的消除殘余應(yīng)力的新技術(shù)。然而，到目前為止，此項(xiàng)技術(shù)并沒(méi)有得廣泛應(yīng)用。究其原因是振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力時(shí)金屬內(nèi)部(晶體)的微觀力學(xué)特性和行為不是很清楚，要了解其規(guī)律僅依靠宏觀的金屬連續(xù)體模型是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，只有建立起反映真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)的晶體力學(xué)模型，反映金屬晶

2、體內(nèi)部微觀力學(xué)特性，才能從根本上來(lái)研究殘余應(yīng)力的消除問(wèn)題。
　　本文將以鋁材料作為研究對(duì)象，根據(jù)鋁晶體的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建立了由多個(gè)晶胞構(gòu)成的單晶力學(xué)模型，采用了分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了鋁材料在拉伸、壓縮與循環(huán)振動(dòng)下的力學(xué)行為，為微觀上研究振動(dòng)時(shí)效消除機(jī)理提供一種思路。主要研究?jī)?nèi)容和主要結(jié)論如下：
　?。?）根據(jù)晶體學(xué)理論和鋁晶體的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，建立了無(wú)缺陷和含有空洞點(diǎn)缺陷的晶體力學(xué)模型，利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究微觀晶體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)

3、，架起了宏觀和微觀研究之間的橋梁，為研究振動(dòng)時(shí)效的微觀機(jī)理打下基礎(chǔ)。
　?。?）根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)和金屬物理理論，利用無(wú)缺陷晶體力學(xué)模型和分子動(dòng)力學(xué)軟件LAMMPS，研究了鋁材料在拉伸和壓縮下的力學(xué)性能，研究表明鋁材料位錯(cuò)滑移是發(fā)生變形的主要原因，變形分為彈性變形階段和塑性變形兩個(gè)階段，在拉伸和壓縮負(fù)載下，單晶鋁材料表現(xiàn)出屈服強(qiáng)度的非對(duì)稱(chēng)性，拉伸負(fù)載下的屈服強(qiáng)度明顯大于相應(yīng)壓縮負(fù)載的值。
　?。?）運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)軟件LAMMPS

4、，研究了應(yīng)變率和溫度對(duì)鋁材料拉伸與壓縮力學(xué)性能的影響。研究表明，應(yīng)變率增大，鋁材料的拉伸屈服強(qiáng)度隨著增大。溫度升高，拉伸壓縮下屈服強(qiáng)度和彈性模量隨之降低。
　?。?）根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)和材料力學(xué)理論，利用無(wú)缺陷晶體力學(xué)模型和分子動(dòng)力學(xué)軟件LAMMPS，研究了動(dòng)應(yīng)力對(duì)鋁材料的應(yīng)力影響。結(jié)果表明，晶體會(huì)產(chǎn)生棘輪效應(yīng)，激振力和激振頻率越大，鋁材料棘輪效應(yīng)越明顯，且屈服強(qiáng)度逐漸降低，鋁材料內(nèi)的塑性變形更易產(chǎn)生。
　?。?）利用含有空洞點(diǎn)

5、缺陷的晶體力學(xué)模型和分子動(dòng)力學(xué)軟件LAMMPS，分析了空洞的半徑大小、間距和數(shù)量對(duì)鋁材料拉伸與壓縮的屈服強(qiáng)度和彈性模量的影響。結(jié)果表明，彈性模量、屈服強(qiáng)度隨著空洞的半徑的增大而減小，隨著空洞間距的增到而增大，在空洞總體積不變的情況下，隨空洞數(shù)量的增多而減小。
　?。?）利用含有空洞點(diǎn)缺陷的晶體力學(xué)模型和分子動(dòng)力學(xué)軟件LAMMPS進(jìn)行拉伸模擬分析可知，鋁材料在空洞處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而在動(dòng)應(yīng)力加載過(guò)程中，空洞處應(yīng)力逐漸減小，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)