首页 >
论文范文 >
自然科学论文 >
力学论文 >
流体力学论文 >
采用分子动力学对α-SiO2晶体力学性能进行研究
0
给我们留言吧!
摘要：应用分子动力学方法，通过大规模，并结合Tersoff势函数计算研究晶体材料的力学性能、结构转变以及物理特性。可将α-SiO2在常温单轴加载过程分成三个阶断，依次为：弹性变形、塑性变形以及断裂变形。其中屈服强度、断裂强度分别为22.6GPa和36GPa。随着温度的升高，α-SiO2的屈服强度和应变逐渐降低，晶体非晶化转变所需的屈服应变也逐渐降低，高温引起α-SiO2晶体的断裂应力和应变逐渐降低。
加入收藏
α-SiO2在常温下具有稳定的晶体结构。目前针对α-SiO2的研究通常采用实验观测高压下非晶化的相变，如：王德军[1]研究了α-石英在高温高压下的结构转变，将α-石英在高温高压下合成了小尺度的柯石英；Palmer等[2]研究了α-SiO2在常温下的加压相变过程，得到了石英相变的规律；张广强等[3]通过机械球磨研究了α-SiO2在高温高压下的结构转变以及形成柯石英的实验条件；Dubrovinsky等[4]研究了α-SiO2的高压相变，得到了类似α-PbO2结构的石英相，当应力为25~35GPa时，发生非晶化转化，卸载压力后完全非晶化。近年来，应用分子动力学方法，通过大规模并行计算研究晶体材料的力学性能、结构转变以及物理特性已引起人们广泛关注[5-9]。如潘海波[10]通过分子动力学方法用Morse势模拟了α-SiO2的高压相变，结果表明，晶体在高于24.6GPa时发生非晶相变，其计算结果与实验结果相符。实验上通常采用加压(静水压)的方法研究石英α-SiO2的相变过程，随着计算材料的发展，应用分子动力学方法表征材料的力学特征已得到广泛应用。本文应用分子动力学方法研究α-SiO2在准静态应变加载下的力学性能，通过分析常温下应力应变曲线的变化，分析α-SiO2在常温下的力学性能，并考察温度对拉伸力学性能的影响规律。
1、模型和方法
1.1 模型
α-SiO2的晶体模型如图1所示。在SiO2中，硅位于正四面体中心，4个氧原子位于正四面体的4个顶角上，图1(A)表示SiO2在体心立方结构中的晶胞。根据笛卡尔坐标构建α-SiO2的晶体结构，如图1(B)所示。其中，xyz三个方向上的晶格常数分别为a=0.4978nm，b=0.4978nm，c=0.6948nm，盒子长度为30a×30b×30c，总原子数为324000个，在xyz三个方向上均采用周期性边界条件。
1.2 模拟方法
在分子动力学模拟过程中，先用Tersoff势函数[11]描述Si—O间的相互作用，再在NPT系综下，以时间步长1fs，用Nose-Hoover热浴方法在常温下进行弛豫，弛豫步数为10000步。模型弛豫过程中的能量变化如图2所示。由图2可见，晶体模型在10ps后达到平衡。在NVT系综下进行准静态单轴加载，加载的方式为应变加载，加载应变率为1×109/s，用Nose-Hoover热浴方法控制系统温度保持其在相应的温度条件下，分别模拟α-SiO2晶体在300，500，700，900K的拉伸力学性能。用LAMMPS代码[12]模拟α-SiO2晶体的力学性能。
图1α-SiO2的晶体模型；图2模型弛豫过程中的能量变化；图3α-SiO2在常温下拉伸的应力-应变曲线
2、结果与讨论
2.1 常温下应力-应变曲线分析
α-SiO2在常温下拉伸的应力-应变曲线如图3所示。应力-应变关系可反映材料的基本力学性能[13-16]，由图3可见：随着应变的增加，α-SiO2晶体在应变为4.7%时出现弹性极限(图3中A点)，且应力与应变呈非线性关系；A点后晶体进入弹性变形阶段，应力与应变呈线性关系；当应变为32.6%时，应力达到第一个屈服点，屈服应力为22.6GPa，与实验和理论结果一致[4，10]；随后晶体进入塑性变形阶段，应力在B点和C点间振荡，纳米晶体发生非晶化相变；随着加载的进行，应力逐渐增加至峰值C点，α-SiO2晶体进入断裂阶段，断裂强度为36GPa.随着应变的增加，应力急剧下降为0，α-SiO2晶体完全断裂。即α-SiO2晶体在常温单轴拉伸过程中经历了弹性阶段、塑性阶段(非晶化相变)及断裂阶段。通过Hooke定律计算可得α-SiO2晶体的弹性模量为69GPa，因此，α-SiO2晶体的强度较高。
2.2 温度效应
α-SiO2晶体在不同温度下的应力-应变曲线如图4所示。由图4可见：屈服应力和屈服应变随温度的升高而降低，即α-SiO2晶体弹性变形阶段随温度升高而缩短，达到屈服强度所需的加载应变减小；弹性模量随温度的升高而逐渐降低。α-SiO2在不同温度下拉伸的力学参数列于表1.由表1可见：当α-SiO2晶体的加载温度由300K升高至500K时，α-SiO2晶体的弹性模量降低了2.29GPa；当温度由500K升高至700K时，弹性模量降低了1.34GPa；当温度由700K升高至900K时，弹性模量降低了1.26GPa.由于高温引起α-SiO2晶体弹性模量下降的辐度较小，因此高温仅略降低了α-SiO2晶体强度，对整体强度影响较小。
图4α-SiO2在不同温度下的应力-应变曲线；表1α-SiO2在不同温度下拉伸的力学参数；图5不同温度下断裂应力和应变的变化曲线
不同温度下断裂应力和应变的变化曲线如图5所示。由图5可见，随着温度的升高，断裂应力约从36GPa降低至29GPa，呈直线下降趋势。断裂应变随温度升高在下降过程中出现反弹，但整体呈下降趋势。因此，温度越高断裂应力和应变越低，α-SiO2晶体在高温单轴加载下易出现断裂。综上，本文采用分子动力学方法，结合Teroff势函数，模拟了α-SiO2晶体的力学性能，并研究了温度对α-SiO2力学性能的影响。
结果表明：α-SiO2在常温单轴加载过程中经历了弹性变形、塑性变形以及断裂变形3个阶段，其中屈服强度为22.6GPa，断裂强度为36GPa，在塑性变形阶段观察到α-SiO2从晶相向非晶转化的相变过程；随着温度的升高，α-SiO2的屈服强度和应变逐渐降低，晶体非晶化转变所需的屈服应变也逐渐降低，高温引起α-SiO2晶体的断裂应力和应变逐渐降低。
参考文献：
[1]王德军.α-石英在高温高压下的结构转变研究[J].长春大学学报,2010,20(4):14-16.
[2]张广强,许大鹏,王德涌,等.纳米SiO2在高压高温下的结构转化[J].吉林大学学报(理学版),2008,46(2):311-313.
马磊,郭杰荣,李长生.基于分子动力学的α-SiO2晶体力学性能[J].吉林大学学报:理学版,2019,57(5):1236-1239.
分享：
专业导论课程是各个工科专业都要开设的一门必修课程，旨在介绍本专业的研究对象、发展方向、关键技术及课程体系，通过该门课程的教学让学生对专业有一个总体上的了解，并为后续的专业课学习提供系统性指导，同时也需要培养学生树立投身于祖国工业和国防建设的伟大理想，在专业导论课的教学方面，多位教师学者都提出了很多教学改革思路[1,2,3,4,5]。
2024-07-17
在网络信息发达、繁杂的时代背景下，青年大学生极易接触到不良的思潮和价值观，存在急功近利的价值取向，缺乏家国情怀，集体责任感以及坚定的社会主义人生理想信念。大学生在校期间的绝大多数时间是在非思政类课程学习中度过。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调指出“要用好课堂教学这个主渠道。
2020-12-15
腐蚀是普遍存在于国民经济和生产生活中的重要破坏因素，学者们针对材料腐蚀现象进行了众多研究，其中，静态环境下的腐蚀研究已较为丰富。在流动体系中，流体对材料表面及腐蚀产物膜的力学冲刷作用、对腐蚀性离子的传质促进作用以及对界面反应过程的影响使得流动环境下的腐蚀问题更加严重和复杂。
2020-12-03
在核反应堆中，控制棒驱动机构是反应堆控制和保护系统中重要的伺服机构，控制棒驱动机构是驱动控制棒组件运动、实现准确调节反应堆内反应性变化的重要部件，控制棒驱动机构具有实现反应堆启动、提升功率、保持功率、负荷跟踪、正常停堆和紧急事故停堆等重要的安全功能。
2020-11-27
腐蚀是普遍存在于国民经济和生产生活中的重要破坏因素，学者们针对材料腐蚀现象进行了众多研究，其中，静态环境下的腐蚀研究已较为丰富。在流动体系中，流体对材料表面及腐蚀产物膜的力学冲刷作用、对腐蚀性离子的传质促进作用以及对界面反应过程的影响使得流动环境下的腐蚀问题更加严重和复杂。
2020-11-17
房间内污染物来源包括:煤气泄漏、一氧化碳泄漏、室内装修后残留的甲醛等污染物。其中煤气和天然气、CO等污染物通过管道或者开关未关闭泄露至空间中，而室内装修残留物则主要为家具或者地板等使用的材料超出规定指标而不断残留在房间中。本文主要采用CFD的方法进行结构合理性的验证。
2020-11-17
为研究一种高减压比组合式空气减压阀的流场特征,基于计算流体动力学(CFD)方法,建立减压阀数值计算模型,针对两级阀体特征参数组合的典型工况进行仿真计算,研究减压阀流场参数分布,分析柱阀间隙和引气位置对流动状态和减压比影响。计算结果表明,组合式减压阀流场状态复杂,第一级柱阀间隙对于流动损失和局部参数分布有重要影响,两级阀分别通过总压损失和流速变化实现减压过程,通过合理的特征参数组合可获得较大减压比及其调节范围。
2020-11-16
气体在液体中的运动广泛存在于自然界和工程领域中,如发动机水下排气、水下爆炸引起的气泡运动、石油开采.其中的动力学过程在一个多世纪以来一直受到人们的关注[1,2].数值模拟是研究气体在液体中运动的一种有效方法[3,4].由于液体与气体之间的密度比一般远大于重液体与轻液体之间的密度比,所以气液相界面的捕捉一直是数值模拟的重点与难点.
2020-08-10
理论和实践证明，环量控制[1]方法可以通过产生射流在后缘形成Coanda效应[2]来改变环量，从而产生高升力[3]。国内外一些学者针对环量控制参数的影响都进行了研究：Englar[3]、Liu等[4]经研究得出在小攻角、小动量系数下环量控制可产生较大升力的结论；张艳华等[5]通过计算流体力学数值仿真方法（CFD）研究了动量系数和攻角对NASA超临界翼型的升阻特性和附面层分离特性的影响规律。
2020-08-10
流体力学是研究流体在静止和运动状态下的运动规律及流体与固壁相互作用力的一门学科，在机械、能源、汽车、化工、航空、航天等诸多领域有着极广泛的应用[1]。该课程是力学、机械等专业本科生的专业基础课程。由于其涉及数学、物理、力学等内容，概念多，公式推导繁琐，理论性强，实际应用广，对学生综合利用知识的要求较高，是普遍公认的教师难教、学生难学的课程之一[2]。
2020-08-10
人气：7547
人气：7401
人气：6195
人气：4708
人气：4530
我要评论
期刊名称：计算力学学报
期刊人气：3219
主管单位：中华人民共和国教育部
主办单位：大连理工大学,中国力学学会
出版地方：辽宁
专业分类：科学
国际刊号：1007-4708
国内刊号：21-1373/O3
邮发代号：8-180
创刊时间：1983年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：一年半以上
影响因子：0.963
影响因子：1.730
影响因子：0.542
影响因子：0.744
影响因子：1.028
学术期刊咨询、科普杂志阅读、专利申请方案、课题研究设计、专著挂名咨询、论文下载、文献查询、原创文章检测、SCI实验设计方案等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-02-26
368
上传者：管理员
