Редактирование: Определение упругих модулей материала
Внимание! Вы не авторизовались на сайте. Ваш IP-адрес будет публично видимым, если вы будете вносить любые правки. Если вы войдёте или создадите учётную запись, правки вместо этого будут связаны с вашим именем пользователя, а также у вас появятся другие преимущества.
Правка может быть отменена. Пожалуйста, просмотрите сравнение версий, чтобы убедиться, что это именно те изменения, которые вас интересуют, и нажмите «Записать страницу», чтобы изменения вступили в силу.
Текущая версия | Ваш текст | ||
Строка 1: | Строка 1: | ||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
== Введение == | == Введение == | ||
− | + | В настоящее время большое внимание уделяется исследованию упругих свойств различных материалов. | |
− | В настоящее время большое внимание уделяется исследованию упругих свойств | ||
− | В данной работе | + | В данной работе рассматриваются два упругих модуля - коэффициент Пуассона и модуль Юнга. Вычисление модулей упругости материала ведется с помощью компьютерного эксперимента. При вычислении используется метод молекулярной динамики (ММД). |
== Алгоритм компьютерного эксперимента == | == Алгоритм компьютерного эксперимента == | ||
− | + | На первом этапе вычисления находится положение равновесия решетки в растянутом состоянии. | |
− | + | При этом задается либо растяжение вдоль двух осей симметрии решетки (рис. 1), | |
− | + | либо сдвиговая деформация вдоль одной из осей. На этом этапе решается динамическая задача | |
− | При этом задается растяжение вдоль | + | достижения положения равновесия. Компьютерный эксперимент производится посредством вычисления |
радиус векторов и векторов скорости частиц в зависимости от времени. Интегрирование | радиус векторов и векторов скорости частиц в зависимости от времени. Интегрирование | ||
− | ведется методом центральных разностей. | + | ведется методом центральных разностей. Метод состоит в том, что координаты и силы вычисляются |
− | во временных точках, разделенных интервалами равными шагу интегрирования, а скорости | + | во временных точках, разделенных интервалами, равными шагу интегрирования, а скорости |
вычисляются во временных точках, находящихся в серединах вышеупомянутых интервалов: | вычисляются во временных точках, находящихся в серединах вышеупомянутых интервалов: | ||
Строка 32: | Строка 22: | ||
где <math>\tau</math> – шаг интегрирования. Ускорение <math>\underline{w}(t)</math> | где <math>\tau</math> – шаг интегрирования. Ускорение <math>\underline{w}(t)</math> | ||
вычисляется через приложенную к частице силу. | вычисляется через приложенную к частице силу. | ||
− | |||
− | + | Для нахождения силы, приложенной к одной частице, рассматриваемая область разбивается | |
− | соседние с ним атомы. | + | на квадратные ячейки со стороной, не меньшей <math>R + D</math>. Рассматриваются все |
+ | частицы, находящиеся в одной ячейке, либо в соседних ячейках к ячейке, где находится | ||
+ | частица, для которой вычисляется приложенная сила. | ||
+ | |||
+ | Колебания атомов гасятся введением коэффициента трения | ||
+ | в уравнения движения. При этом достигается однородное деформированное состояние со | ||
+ | значениями <math>\varepsilon_{11} = 0.001</math> (при растяжении вдоль оси <math>OX_1</math>), и | ||
+ | <math>\varepsilon_{22} = 0.001</math> (при растяжении вдоль оси <math>OX_2</math>). При вычислении ставятся фиксированные граничные условия. | ||
+ | |||
+ | Вычислительный процесс разделим на три основные части. Первая часть представляет собой | ||
+ | вычислительный процесс в целом и включает в себя определение начальных | ||
+ | параметров задачи, которые могут варьироваться, а также определение начальной | ||
+ | конфигурации рассчитываемой системы, т.е. границы рассматриваемой области, положение и | ||
+ | скорости частиц (атомов) кристаллической решетки. Кроме того, вычислительный | ||
+ | процесс в целом подразумевает последовательность шагов интегрирования по времени и | ||
+ | получение результатов вычисления. Вторая часть вычислительного процесса представляет | ||
+ | собой один шаг интегрирования по времени. Результатом этой части | ||
+ | вычислительного процесса является определение наборов соседних атомов для каждого атома | ||
+ | системы с учетом граничных условий, т.е. условий периодичности на границе | ||
+ | рассматриваемой прямоугольной области. Шаг интегрирования по времени состоит из | ||
+ | определения скоростей атомов при учете действующих сил на каждый атом системы, а также | ||
+ | определение приращений перемещений атомов системы. Третья часть вычислительного процесса | ||
+ | представляет собой определение слагаемых сил, действующих на один атом системы и на | ||
+ | соседние с ним атомы. Эта часть содержит вычисление значения производных от одного | ||
+ | слагаемого потенциальной энергии системы, т.е. потенциальной энергии, приходящейся на | ||
+ | один атом. | ||
+ | |||
+ | На втором этапе механические напряжения в решетке вычисляются по формулам: | ||
<math> | <math> | ||
Строка 43: | Строка 59: | ||
</math> | </math> | ||
− | Здесь <math>{{\underline{\underline{\tau\hspace{-0.5mm}}}\hspace{0.5mm}}}_i</math> – тензор механических напряжений для частицы с номером <math>i</math>. При однородном поле деформации находится средний тензор напряжений | + | иначе |
− | <math>({{\underline{\underline{\tau\hspace{-0.5mm}}}\hspace{0.5mm}}}_i)</math> по всем частицам. <math>V</math> – объем ячейки периодичности. <math>\underline{A}_{\alpha}^i</math> – вектор относительного | + | |
+ | <math> | ||
+ | {{\underline{\underline{\tau\hspace{-0.5mm}}}\hspace{0.5mm}}}_i = | ||
+ | \frac{1}{V} \sum_{\alpha} \frac{\partial \Pi^i}{\partial \underline{A}_{\alpha}^i} | ||
+ | (\underline{r}_{\alpha}^i - \underline{r}_i), \quad \Pi^i = \frac{1}{2} \sum_{j (\neq i)} V_{ij} | ||
+ | </math> | ||
+ | |||
+ | Здесь <math>{{\underline{\underline{\tau\hspace{-0.5mm}}}\hspace{0.5mm}}}_i</math> – тензор механических напряжений для частицы (атом углерода) с номером <math>i</math>. При однородном поле деформации находится средний тензор напряжений | ||
+ | <math>({{\underline{\underline{\tau\hspace{-0.5mm}}}\hspace{0.5mm}}}_i)</math> по всем частицам. <math>V</math> – объем ячейки периодичности (в двумерной | ||
+ | постановке – площадь). <math>\underline{F}_{\alpha}^i</math> – векторный коэффициент, равный | ||
+ | <math>\displaystyle 2 \frac{\partial \Pi^i}{\partial \underline{A}_{\alpha}^i}</math>, где <math>\alpha</math> – номер | ||
+ | соседней частицы к частице с номером <math>i</math>. <math>\underline{A}_{\alpha}^i</math> – вектор относительного | ||
положения соседней частицы: <math>\underline{A}_{\alpha}^i = \underline{r}_{\alpha}^i - \underline{r}_i</math>, | положения соседней частицы: <math>\underline{A}_{\alpha}^i = \underline{r}_{\alpha}^i - \underline{r}_i</math>, | ||
где <math>\underline{r}_i</math> | где <math>\underline{r}_i</math> | ||
– радиус-вектор частицы с номером <math>i</math>, <math>\underline{r}_{\alpha}^i</math> – радиус-вектор соседней | – радиус-вектор частицы с номером <math>i</math>, <math>\underline{r}_{\alpha}^i</math> – радиус-вектор соседней | ||
− | частицы (<math>\alpha</math>). | + | частицы (<math>\alpha</math>). <math>V_{ij}</math> – энергия, приходящаяся на одну связь, см. [[Потенциалы Терсоффа, Бреннера|потенциал Терсофа]]. |
− | |||
− | |||
− | В трехмерном материале коэффициенты упругости | + | В трехмерном ортотропном материале с кубической симметрией (алмаз) коэффициенты упругости |
определяются через следующие выражения: | определяются через следующие выражения: | ||
Строка 66: | Строка 91: | ||
</math> | </math> | ||
− | + | Модули упругости выражаются по формулам: | |
− | Модули упругости выражаются | ||
<math> | <math> | ||
\nu = \frac{C_{12}}{C_{11} + C_{12}},\quad | \nu = \frac{C_{12}}{C_{11} + C_{12}},\quad | ||
− | E = \frac{(C_{11} - C_{12}) (C_{11} + 2 C_{12})}{(C_{11} + C_{12})}, | + | E = \frac{(C_{11} - C_{12}) (C_{11} + 2 C_{12})}{(C_{11} + C_{12})},\quad |
− | + | K = \frac{1}{3}(C_{11} + 2 C_{12}). | |
− | + | </math> | |
− | |||
− | |||
− | = | ||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | + | Ячейка периодичности кристаллической решетки алмаза представляет собой куб с гранью <math>4 | |
− | + | a_d / \sqrt{3}</math>, где <math>a_d</math> – межатомное расстояние кристаллической решетки алмаза в | |
− | + | равновесном состоянии. |