陈曦的博客

虽然在室温下研究碳纳米管(CNTs)等纳米结构的力学性能更为现实，但有限温度下的原子模拟(如分子动力学，MD)可能会导致以下问题:(1)由于MD中可实现的时间尺度(通常在纳秒尺度)的限制，在任何有限温度下的MD模拟中的加载速率都不现实。通常，MD模拟中使用的加载速率在300K时可能超过10m/s，因此比实验中使用的实际加载速率高许多数量级。(2)模拟的一个很大的优点是能够打开和关闭某些特征，并探索它们的效果，这在实验中是不可能的。例如，碳纳米管的屈曲行为对几何扰动非常敏感，这种扰动在室温下尤为突出，这种扰动会导致严重的不确定性，从而难以探索其固有的屈曲行为。因此，通过去除温度效应，我们可以更好地评估影响本征屈曲行为的其他关键因素，如管的手性、半径和长度，否则这些因素可能被热波动效应所覆盖。(3)由于时间和长度尺度的限制，大系统的MD模拟尚不可能实现，因此必须建立有效的连续介质模型，并通过原子模拟进行校准。目前大多数连续介质模型中仍不存在温度因子。因此，0K或接近0K的原子模拟可以为并行连续介质模型的开发提供有用的基准，重点关注纳米结构最内在和最基本的力学性能。基于上述分析，利用分子力学(MM)方法进行0K的原子模拟仍然是非常有用的，特别是对我们力学工作者来说。万博体育平台

传统的压痕分析采用有限元模拟对多种材料进行压痕响应研究，称为正向分析;然后，从反向分析中，可以从特定试样的压痕响应中提取材料特性。在此过程中，重要的是在正向分析中选择广泛而适当的材料范围。很多时候，当我阅读或审查论文时，我发现一些作者“随机”地选择了大量的材料，而不知道这意味着什么，也不知道它是否实用;在许多情况下，在正向/反向分析中使用的材料在现实中并不存在，或者实际上不适合常规压痕分析。

在压痕分析中，试件的本构弹塑性特性通常用幂律形式表示。需要注意的是，大多数脆性陶瓷或玻璃材料在压痕时发生裂纹，聚合物在压痕实验中发生蠕变，并且聚合物的拉伸和压缩行为往往有很大差异;因此，它们通常不能用幂律形式很好地描述，它们的力学性能也不能从传统的压痕分析中得到。因此，陶瓷和聚合物应排除在目前的分析之外，以及高度各向异性的木材。此外，复合材料、纳米复合材料和其他纳米结构材料以及薄膜也需要从连续介质分析中排除，因为底层的微/纳米结构在其力学响应中起着关键作用。因此，只有更具有延展性和“塑性”的多晶块金属和合金才适合在室温下进行常规压痕分析，因为压痕过程中压痕器下方会产生较大的应变，而且传统的塑性理论是针对金属发展起来的，这是弹塑性有限元分析的基础。压痕深度也必须足够大，以克服应变梯度效应。

迈克·阿什比(Mike Ashby)的著名手册《机械设计中的材料选择》(Materials selection in mechanical design)第425页的选材图可以作为参考。一般来说，大多数适合常规压痕研究的工程金属和合金，杨氏模量约为10 ~ 600GPa，屈服强度约为10MPa ~ 2GPa，屈服应变的逆应变约为100 ~ 5000(一些纯金属的逆屈服应变可能更高，但不应远远超过这个范围)。注意，由于试样在压痕过程中必须承受相对较大的应变而不开裂，因此材料必须具有足够的延展性(即塑性或软性)。

而在正向分析中，有限元模拟所选择的材料范围需要略大于上述边界，以避免边界处可能出现数值病态。然而，反向分析应侧重于更实用的材料，即上述金属和合金的范围。

(原由Yuye唐分子动力学修饰有限元法(MDeFEM)的一个关键步骤是确定大分子组分的有效性质。在这里，我举例说明如何使用从MD计算的NMA来估计力敏通道中环路的弹性特性，这与我的研究有关。