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应用计算机模拟技术从原子、分子层次对材料微细观力学行为进行分析,有助于从深层次解决实际工程中遇到的问题,对实践具有重要的意义。
本文主要应用分子动力学理论模拟纳米单晶铜杆的拉伸过程,研究纳米尺度下材料的力学性能变化情况。本文选用镶嵌原子势函数,推导了该势函数下原子间的作用力公式,并绘出单晶铜两个原子之间的势函数及作用力的曲线图。运用Verlet数值积分算法,温度控制采用速度标定法,相应地用VC++语言编制程序,从而建立、计算、分析模型。首先研究了模型在自由弛豫过程中系统的动能、势能和平均应变的变化情况,随着时间的变化,分布在晶格点阵上的原子受到原子间作用力的影响开始自由运动,当原子逐渐趋于平衡位置时,其系统动能、势能、平均应变也相应地趋于一个稳定值。然后对模型施加外部载荷,具体采用对端面原子直接加力的方法研究拉伸过程中系统参量的变化情况,给出拉伸过程中原子位形的演化情况。外载荷做功使得系统势能逐渐增加,模型发生破坏时,原子键断裂,能量耗散,则系统总势能突然降低,记录加载过程中的数据,得到应力一应变关系曲线和弹性模量随加载时间的变化曲线,得出杆件横截面在足够小的一定尺寸下时,其拉伸破坏过程接近于宏观下的脆性材料。最后分别模拟计算了长度和温度对纳米单晶铜杆拉伸实验的影响,得出在相同截面下,长度对模型各个力学参量的影响并不大,而随着温度的升高,纳米单晶铜材料的破坏应力及弹性模量都是减小的。