晶体铝纳米接触与摩擦行为的多尺度与有限元分析研究

发布时间：2017-10-07 22:26

  本文关键词：晶体铝纳米接触与摩擦行为的多尺度与有限元分析研究

  更多相关文章： 多尺度模拟 有限元分析 晶体铝 准连续介质方法 微纳接触摩擦 原子力显微镜

【摘要】：微机电系统(MEMS)中广泛存在的微纳米接触与摩擦问题表现出不同于宏观接触问题的新特性,而纳米尺度的接触摩擦问题对微机电系统、微/纳器件的设计、制造、使用寿命等至关重要。然而,在埃量级的原子尺度下,材料发生变形和破坏过程中,原子发生运动和迁移从而引发的一系列的变形机理的实时动态过程在实验中是不可能观察得到,因此,人们开始探索利用计算机对材料的原子尺度进行数值模拟。由于微机电系统的部件通常为1至100微米,以现有的计算机计算能力显然无法使分子动力学的研究范围扩展到连续介质尺度上去,分子动力学的时空局限性促使着人们对多尺度方法进行着不断地探索。 本课题选题来源于国家自然科学基金项目：“微机械摩擦副接触力学行为多尺度耦合分析方法研究”。本文以金属材料晶体铝作为研究材料,通过利用准连续介质多尺度方法对平面—平面、球面—平面等类型微机械摩擦副中的接触与滑动过程的模拟,研究其力学行为的微观机制,并验证该多尺度方法在微纳米量级的接触摩擦行为研究上的可行性。 首先,利用准连续介质多尺度方法模拟了三种不同尺寸压头下的平面-平面接触过程,得到了相应的载荷-位移曲线,分析了压入过程中的位错对的形核与发射过程。并将Rice-Thomson理论模型的计算结果与多尺度的计算结果进行了对比,结果符合得比较好。为了研究微纳尺度下常见的球面-平面接触摩擦副,引入了排斥力场势函数的方法模拟了刚性球形压头与单晶铝基体的压入与卸载过程,得到了垂直于纸面方向的位移云纹图与载荷-压深曲线。通过分析相关数据,结果表明：载荷-压深曲线呈现出不同于方形压头下的阶梯状；由于压头两侧原子所受的切向力较小,基体内部只完成了肖克利不全位错的发射。完全卸载后,残余位移的大小高度接近单晶铝伯格斯矢量的模0.285nm。 针对摩擦副中常见的球面-平面摩擦类型,利用准连续介质多尺度分析方法以较小的计算代价来研究较大曲率半径的探针与单晶铝基体的纳米接触及纳米初始滑动摩擦过程。结果表明：在纳米滑动摩擦过程中,探针向前滑动3.8nm时,后方划过的基体表面下方的滑移带开始扩展,所划过的基体表面开始出现了明显的弹性恢复。结果使得一部分表面下方的位错开始向表面扩展并且产生孪生形变。同时,下方深处的晶体产生严重的晶格畸变。将滑动摩擦系数与理论计算结果进行了对比,对弹性应变能在探针划过的表面的弹性恢复过程中反馈对摩擦因数计算的影响作了定量分析。 然后,利用纳米压痕仪及原子力显微镜(AFM)对晶体铝进行了纳米压痕与纳米划痕实验,纳米压痕实验中获得的载荷-压深曲线的变化趋势与多尺度仿真结果高度一致。而纳米划痕实验结果则表明：摩擦力会随滑动速度的增加而增加。 最后,为了得到实验试样中所使用的晶体铝的塑性特性,利用非线性分析能力强大的ABAQUS有限元分析软件对纳米压痕过程进行了模拟并将输出的载荷-压深曲线与实验结果进行拟合,得到了表现晶体铝塑性性能的屈服应力-塑性应变曲线,建立了微纳米划痕的有限元模型并进行了分析。
【关键词】：多尺度模拟 有限元分析 晶体铝 准连续介质方法 微纳接触摩擦 原子力显微镜
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH-39;TG146.21
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目录10-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 课题研究背景及研究意义13-14
• 1.2 微纳尺度接触和摩擦力学行为研究现状及不足14-22
• 1.2.1 微纳尺度接触和摩擦力学理论研究14-15
• 1.2.2 微纳尺度接触和摩擦力学实验研究15-16
• 1.2.3 微纳尺度接触和摩擦力学数值仿真研究16-21
• 1.2.4 微纳尺度接触和摩擦力学研究的不足21-22
• 1.3 本文主要研究内容22-25
• 第二章 接触力学与摩擦力学理论25-37
• 2.1 接触力学问题的理论解法25-29
• 2.1.1 Hertz接触理论25-26
• 2.1.2 JKR接触理论26-27
• 2.1.3 DMT接触理论27-28
• 2.1.4 JKR理论与DMT理论的统一28
• 2.1.5 考虑粗糙表面接触的GW模型28-29
• 2.2 摩擦力学理论29-35
• 2.2.1 滑动摩擦理论29-33
• 2.2.1.1 粘着摩擦机理30-31
• 2.2.1.2 形变摩擦机理31-32
• 2.2.1.3 棘齿摩擦机理32-33
• 2.2.2 微纳摩擦理论33-35
• 2.3 本章小结35-37
• 第三章 微纳尺度接触过程中力学行为的多尺度分析37-59
• 3.1 引言37
• 3.2 多尺度模拟方法理论37-44
• 3.2.1 跨原子-连续介质多尺度模拟方法的基础理论37-40
• 3.2.2 准连续介质(QC)法的耦合算法40-44
• 3.3 微纳尺度平面-平面接触的多尺度模拟44-50
• 3.3.1 模型建立及相关模拟参数44-45
• 3.3.2 模型求解结果分析45-50
• 3.3.2.1 位错形核与发射过程46-49
• 3.3.2.2 位错形核发射的临界载荷计算49-50
• 3.4 微纳尺度球面-平面接触的多尺度模拟50-57
• 3.4.1 纳米接触的QC法建模50-52
• 3.4.2 模拟结果与分析52-57
• 3.4.2.1 接触压入阶段52-56
• 3.4.2.2 卸载脱离阶段56-57
• 3.5 本章小结57-59
• 第四章 微纳尺度摩擦过程中力学行为的多尺度分析59-73
• 4.1 引言59
• 4.2 准连续介质多尺度方法在微纳摩擦问题上的应用59-60
• 4.3 微纳尺度接触多尺度建模与仿真60-71
• 4.3.1 仿真模型的建立60-61
• 4.3.2 仿真结果分析61-71
• 4.3.2.1 接触过程61-63
• 4.3.2.2 滑动过程63-67
• 4.3.2.3 讨论67-71
• 4.4 本章小结71-73
• 第五章 晶体铝的微纳尺度接触摩擦力学实验研究73-81
• 5.1 引言73
• 5.2 晶体铝的纳米压痕实验73-77
• 5.2.1 实验仪器与方法73-75
• 5.2.2 实验结果及分析75-77
• 5.3 单晶铝的纳米划痕实验77-79
• 5.3.1 实验方法77-78
• 5.3.2 实验结果78-79
• 5.4 本章小结79-81
• 第六章 晶体铝的微纳米接触摩擦过程的有限元分析81-91
• 6.1 引言81
• 6.2 有限元方法及ABAQUS软件81-82
• 6.3 微纳米压痕过程的有限元分析82-85
• 6.4 微纳米划痕过程的有限元分析85-89
• 6.5 本章小结89-91
• 第七章 全文工作总结与展望91-95
• 7.1 本文主要工作和结论91-92
• 7.2 本文创新点92-93
• 7.3 后续工作建议及展望93-95
• 致谢95-97
• 参考文献97-102
• 附录A：本人在攻读硕士学位期间的科研成果102

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 江五贵;黎军顽;苏建君;汤井伦;;纳米压痕试验中压头尺寸效应的准连续介质法分析[J];固体力学学报;2007年04期

2 孙立宁,周兆英,龚振邦;MEMS国内外发展状况及我国MEMS发展战略的思考[J];机器人技术与应用;2002年02期

3 刘小明;由小川;柳占立;庄茁;;纳米尺度摩擦过程的分子动力学模拟[J];金属学报;2008年09期

4 霍德鸿,梁迎春,程凯,董申;基于原子力显微镜和分子动力学的纳米压痕技术研究[J];机械工程学报;2004年06期

5 樊瑜瑾,杨晓京,李浙昆,刘剑雄;磨粒磨损中微观接触过程的有限元分析[J];机械工程学报;2005年04期

6 林忠华,胡国清,刘文艳,张慧杰;微机电系统的发展及其应用[J];纳米技术与精密工程;2004年02期

7 史立秋;孙涛;闫永达;董申;;基于AFM纳米硬度测量系统的实验(英文)[J];纳米技术与精密工程;2006年02期

8 杨晓京;詹胜鹏;迟毅林;;纳米尺度接触过程分子动力学模拟[J];农业机械学报;2012年11期

9 杨晓京;刘艳荣;杨小江;方聪聪;;单晶锗各向异性力学性能实验[J];农业机械学报;2014年05期

10 范真;刘翊;丁建宁;谈衡;陈修祥;;表面镀Si-DLC膜微机电器件弹塑性接触及摩擦热有限元分析[J];润滑与密封;2011年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 黎军顽;纳米压痕过程的多尺度准连续介质法研究[D];复旦大学;2010年

，

本文编号：990428