基于分子动力学模拟的界面强度准则

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随着各类功能材料、复合材料等先进材料的工业应用范围的不断扩大,由不同材料组成的界面的力学行为,越来越受到了人们的重视。结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,其中,界面的剥离,即结合部的破坏,又是非常常见的破坏形式。但是,关于结合材料的破坏准则,由于界面端应力奇异性和界面裂纹裂尖的震荡应力奇异性,以及界面本身与母材的强度不同等因素,是不能采用材料力学或断裂力学的破坏准则的,而必须根据界面问题的特征,重新建立相关的破坏准则。目前科研的重点多集中在宏观材料界面的微观结构上探讨其力学行为,也就是由微观的观点来研究宏观的物理现象。 分子动力学是分子模拟中正迅速崛起的一种方法,被广泛应用于计算系统的热力学、动力及结构等性质,具有广阔的发展空间和良好的应用前景。分子动力学方法采用经验势函数,从原子入手进行研究。通过求解牛顿运动方程研究纳米颗粒在不同时刻的运动状态,建立纳米颗粒运动速度和待求量之间的函数关系,模拟求解材料的力学参数。 目前关于界面破坏尚没有一个被广为认可的评价准则。本文采用分子动力学模拟方法,对结合材料的界面强度破坏问题进行分析,通过对(1)界面上应力集中引起的界面起裂;(2)界面端应力奇异引起的界面端起裂;(3)界面上裂纹扩展三种计算模型的模拟,获得了结合材料界面破坏时的临界状态。从模拟结果出发,提出结合材料界面破坏的准则。虽然在分子动力学模拟中采用了简化的界面模型,但结果表明,分子动力学模拟仍可给宏观的界面破坏准则提供诸如破坏准则形式等方面的参考。
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