考虑表面/界面效应的微纳米非均质材料的边界元法研究

Surface/interface effects of micro/nano structures make the mechanical properties of micro/nano materials possess some unique new properties such as high strength,high wear-resistant, etc.The research on these new properties has been the frontier research field in multidisciplinary. This project aims to investigate the effect of micro/nano materials on the mechanical properties of micro/nano structures. The mechanical behaviour of the interaction among the nano-cracks,nano-grains and surfaces/interfaces etc. will especially be studied. The boundary element method (BEM) will be established for micro/nano contact problems with adhesive force and surface elasticity. At present,the BEM has mainly been used to study nano-inhomogeneities with regular shapes in the infinite medium. But the BEM is seldom used to study the nano-inhomogeneities with irregular shapes and the mediums with finite boundaries due to the complexities of the interaction among various nano-inhomogeneities and the surfaces/interfaces. This project will expand the BEM to investigate the interactions among various nano-inhomogeneities, know well the micro/nano mechanisms of the material deformation and failure etc., and establish and develope the mechanical principles of improving the material strength and toughness. The established method will be implemented in the BEM codes. The BEM of micro/nano inhomogeneities developed by this project will lay a solid fundation for the analysis of the mechanical properties of micro/nano mediums.

微纳米结构的表面/界面效应使得微纳米材料的力学性能表现出了一些独特的新特性，如高强度、耐磨损等。这些新特性的研究已经成为了当前多个学科的前沿研究领域。本项目将研究微纳米材料的微纳观结构对力学性能的影响。重点考察纳米裂纹、纳米颗粒等与表面/界面等微结构相互作用下的力学行为以及建立考虑黏着力、表面弹性力等作用下的微纳米接触问题的边界元分析方法。目前，边界元法主要用于无限域中规则形状的纳米非均质问题的研究。但对于非规则形状的纳米非均质以及有限边界的介质，由于各种纳米非均质与表面/界面相互作用的复杂性，相应的边界元法研究还很少。本项目将拓展边界元法，使之用于研究材料中的微纳米非均质之间的相互作用，掌握影响这种材料变形、破坏等性能的微纳观机制，建立和发展提高材料的强度和韧度的力学原理。所建立的方法将在程序中实现。本项目发展的适用于微纳米介质的边界元分析方法将为微纳米介质的力学性能分析打下坚实的基础。

微纳米结构的表面/界面效应使得微纳米材料的力学性能表现出了一些独特的新特性，如高强度、耐磨损等。这些新特性的研究已经成为了当前多个学科的前沿研究领域。本项目研究了微纳米材料的微纳观结构对力学性能的影响。考察了纳米裂纹、纳米颗粒等与表面/界面等微结构相互作用下的力学行为。建立了一个新的适用于分析三维纳米非均值问题的边界积分公式及其数值实施方法，该成果对于研究纳米非均质问题的力学性能具有重要的意义。建立了反平面载荷作用下的纳米非均质问题的边界积分方程及其数值实施方法，该成果对于研究纳米夹杂和裂纹间的相互作用具有重要的意义。建立了纳米非均质问题的等几何边界元法，该成果能够精确地模拟各类复杂形状的纳米夹杂，避免了通常的边界元的网格划分，而且所得到的结果精度相对于已有的方法更高。建立了物质点和边界元的耦合方法，并将之应用于金属高速切削的研究，该成果对于进一步研究非均质材料的高速切削数值模拟具有重要的意义。建立了一个仅包含界面温度的稳态热传导非均质问题的热能增量公式，该成果对于研究非均质材料在热载荷作用下的夹杂的形状优化和材料的有效热传导性质等方面具有重要的意义。本项目开发出的适用于微纳米介质边界元分析方法将为微纳米介质的力学性能分析打下坚实的基础。