跨尺度力学的案例和可能模式
多尺度耦合理论
何国威、白以龙中国科学院力学研究所，非线性力学国家重点实验室多尺度力学是当代科学技术发展的需求和前沿。
在生物科学，材料科学，化学科学和流体力学中，许多重要问题的本质都表现为多尺度，它们涉及从分子尺度到连续介质尺度上不同物理机制的耦合和关联。
例如，在生物和化学科学里，在分子尺度上的不同性态产生了生物体尺度上的复杂现象；在固体破坏中，不同尺度的微损伤相互作用产生更大尺度上的裂纹导致材料破坏；在流体力学中，不同时空尺度的涡相互作用构成复杂的流动图案。
这些问题的共同特点是不同尺度上物理机制的耦合和关联。
只考虑单个尺度上某个物理机制，不可能描述整个系统的复杂现象。
因此，多尺度力学的核心问题是多过程耦合和跨尺度关联。
多尺度力学是传统的针对多尺度问题研究的发展，但有着本质的不同。
它们都研究不能通过解耦进行求解的多尺度耦合问题。
但是，传统的多尺度问题具有相似性或弱耦合，即：不同尺度上的物理过程具有相似性，因此我们可以求相似解；或者，不同尺度上的物理过程具有弱耦合，因此我们可以采用平均法求解。
然而，多尺度力学的研究对象具有多样性和强耦合，即：不同尺度上的物理过程既不具有相似性，耦合也不再是弱的了。
因此，传统的相似解和平均法对多尺度力学的问题都不适用。
动力系统理论和统计力学为多尺度现象的研究提供了基本方法。
在一个给定尺度上的物理过程可以用动力学方程描述，而动力学方程的建立主要依赖于经典力学和量子力学。
问题的关键在于不同尺度上物理过程的相互耦合。
如果可以忽略耦合，单个尺度上的物理过程完全可以由经典力学或量子力学描述，剩下的就是类似于解方程那样的认识过程，原则上并不是什么困难的事情。
在平衡态统计物理里，不同尺度之间物理过程耦合的基本假设是基于等概率原理的统计平均。
但是，大多数多尺度问题涉及统计力学中非平衡态的非线性演化过程，不同的尺度之间存在强耦合或敏感耦合，不能简单地采用绝热近似、统计平均以及微扰等方法处理，而必须将不同尺度耦合求解。
固体力学跨尺度计算若干问题研究
固体力学跨尺度计算若干问题研究
庄茁;严子铭;姚凯丽;崔一南;柳占立
【期刊名称】《计算力学学报》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。
(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA 试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。
【总页数】7页(P40-46)
【作者】庄茁;严子铭;姚凯丽;崔一南;柳占立
【作者单位】清华大学航天航空学院
【正文语种】中文
【中图分类】O302
【相关文献】
1.非线性计算固体力学的若干问题
2.水化硅酸钙力学参数跨纳-微观尺度计算方法
3.漫步微观世界的“跨尺度”对话——北京化工大学机电学院教授梁立红与其先进材料及结构跨尺度力学研究
4.固体跨尺度压痕标度律的研究与展望
5.仿生石墨烯增强纳米复合材料力学性能的跨尺度数值模拟和实验研究
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断裂力学的发展与研究现状
断裂力学的发展与研究现状一、断裂力学概述断裂力学是一门研究材料或结构在断裂过程中力学行为的学科。
它专注于理解材料的微观结构和性能，以及在外力作用下材料裂纹萌生、扩展和断裂的机制。
断裂力学在工程应用中具有非常重要的意义，因为材料的断裂会直接导致灾难性的后果。
二、断裂力学的发展自20世纪60年代以来，断裂力学得到了迅速的发展。
这个领域的研究可以分为两个主要方向：线性断裂力学和非线性断裂力学。
1. 线性断裂力学：线性断裂力学研究裂纹在材料中扩展的规律，其理论基础主要是弹性力学和塑性力学。
这个方向的主要目标是预测裂纹扩展的速率，以及裂纹对材料性能的影响。
2. 非线性断裂力学：非线性断裂力学研究裂纹在非线性材料中扩展的规律。
这种材料的行为会随着裂纹的扩展而改变，因此需要使用更复杂的模型来描述。
非线性断裂力学的研究对于理解复合材料、金属、陶瓷等材料的断裂行为非常重要。
三、断裂力学的研究现状当前，断裂力学的研究主要集中在以下几个方向：1. 疲劳裂纹扩展研究：疲劳裂纹扩展是工程结构中最常见的断裂形式之一。
这个方向的研究主要关注疲劳裂纹的萌生和扩展机制，以及如何预测疲劳寿命。
2. 复合材料断裂研究：复合材料由于其各向异性和非线性特性，其断裂行为比金属材料更为复杂。
这个方向的研究主要关注复合材料的分层、脱层、破碎等行为，以及如何优化复合材料的结构设计。
3. 微裂纹扩展研究：微裂纹在材料中广泛存在，其对材料的性能和安全性具有重要影响。
这个方向的研究主要关注微裂纹的萌生、扩展和聚集机制，以及如何检测和预防微裂纹的产生。
4. 跨尺度断裂力学研究：这个方向的研究关注在不同尺度（如微观、介观和宏观）下材料的断裂行为。
它涉及到材料在不同尺度下的物理性质，以及不同尺度之间的相互作用。
这种跨尺度的方法有助于更全面地理解材料的断裂行为。
四、未来研究方向与挑战随着科学技术的发展，断裂力学仍面临许多新的挑战和研究机会。
未来几年，以下几个方向可能会成为研究的热点：1. 高性能计算与模拟：随着计算机技术的发展，高性能计算和模拟已经成为解决复杂工程问题的关键工具。
材料力学行为的跨尺度模拟-华中科技大学研究生院
学分：2
课程组教师姓名 职 称 黄敏生 副教授
专业 年龄 固体力学 31
学术方向 材料的力学行为
课程负责教师留学经历及学术专长简介：
黄敏生与 2010 年 1 月至 2011 年 12 月在英国 Portsmouth 大学机械工程设计材 料力学行为研究组（MBM）从事两年的高级研究助理（Senior Research Associate） 的研究工作，研究方向为“航空发动机用高温合金力学性能的微观模拟和分析”， 项目与英国 Rolls-Royce 公司（劳斯莱斯公司）合作，主要研究镍基高温合金（包 括单晶和多晶材料）的循环应力应变关系本构响应。学术专长包括：分子动力学 模拟、2 维/3 维离散位错动力学模拟、应变梯度理论、晶体塑性模拟以及材料的 损伤和断裂。
全英文教材： Jinghong Fan，2011.Multiscale Analysis of Deformation and Failure of Materials，published by Wiley
主要参考书： 1. Young W, et al. 2008. Multiscale Modeling and Simulation of Composite Materials and Structures. Published by Springer 2. Markus J. Buehler, 2008. Atomistic modeling of materials failure. Published by Springer. 3．John Price Hirth. 1982. Theory of Dislocation. Published by published
by Wiley
课程大纲：（章节目录） 第一章 分子动力学模拟
跨尺度建模在多尺度材料结构设计中的应用
跨尺度建模在多尺度材料结构设计中的应用随着科学技术的不断发展，材料工程领域的研究也得到了极大的推动。
多尺度材料结构设计是一种综合运用多个尺度的建模方法，以实现材料属性和性能的优化。
跨尺度建模技术的应用在多尺度材料结构设计中发挥着重要的作用，能够为工程界的材料设计提供有效的解决方案。
所谓跨尺度建模，即是将多个不同的尺度层次进行耦合分析，从宏观到微观，从宏观物体整体到微观细节部分进行综合考量，使得材料结构的设计能够更加精确和准确。
它通过对不同尺度下材料性质和行为的建模，标志着将原子、晶体、微观、宏观等各个层次进行统一、一体化的方法和理论。
这种综合性的建模方法可以充分考虑到材料的整体性和层次性，有助于优化设计和改进材料性能。
多尺度材料结构设计是一个综合性的工程问题，需要对材料的结构和性能进行全面的分析和理解。
传统的试验方法往往只能获取到有限的数据，而跨尺度建模技术可以通过数值模拟和计算来获取更详细、更全面的信息。
例如，通过分子动力学模拟可以研究材料的原子间相互作用和热力学性质，而通过有限元方法可以模拟材料的宏观机械行为。
这些跨尺度的建模方法相互补充，使得我们能够更好地理解材料在不同尺度下的行为，并为结构设计提供准确的指导。
跨尺度建模技术在多尺度材料结构设计中起到了重要的作用。
首先，它能够帮助科学家们深入了解材料的微观结构和特性。
通过建立精确的原子和晶体模型，可以模拟材料的晶体结构和缺陷行为，从而揭示材料的内在机理。
其次，跨尺度建模技术可以用于预测材料的性能和行为。
通过建立全面的材料模型，可以预测材料的强度、刚度、热膨胀系数等物理性质，为材料设计提供指导。
最后，跨尺度建模技术还可以用于优化材料的结构设计。
通过结合多个尺度的建模结果，可以优化材料的结构，提高其性能和可靠性。
在实际应用中，跨尺度建模技术已经取得了一些重要的成果。
例如，在材料强度和韧性方面的研究中，研究人员可以通过原子尺度模拟和连续介质力学模型的结合，对材料的断裂行为进行研究，并对其破坏机理进行解释。
工程材料叠层结构失效行为的跨尺度分析
学试验 ， 中包 括层间剪切强度试验 、 其 裂纹扩 展试验 、 冲击后 压缩 强度试 验 、 态 压痕试 验 ， 准静 同时使 用材料 的宏观 试 样和微观组织结 构两个 研究对象 ， 工程 材料 在服役 过程 中的 失效 问题 。希望在 材料 的宏观 尺度与微 观尺 度 解决
之间架起・座桥梁， 为今后利用有限元方法， 分析材料的失效行为起到一个很好的引导作用， 使仿真试验进一步指
第２ ７卷
第ｌ ２期
甘 肃科 技
Ｇａ ｓ ｃ ｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｎ ｕ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ
］ Ｚ２ ．７
Ⅳ０ ２ ．１
２１ ０ １年 ６月
Ｊ ｎ ２ １ ｕ． ０１
工 程材 料 叠 层 结构 失效 行 为 的跨 尺 度 分 析
李 晓东 ， 李旭 东 ， 张
的材料微结构及其叠层 结构的计算机仿真 ， 以及相 关力学性能试验 的试样几何 的计算机仿真 ， 限元 有
建模 后使用软件 Ａ Ａ Ｕ Ｒ Ｑ Ｓ按照力学试验 的实际工
况进行计算 。
１Ｉ 微观组织结构的描述 ．
尺度模拟和计算是一个近年来正在迅速发展的热点
与前沿研究领域 ， 特别是在材料科 学、 化学 、 流体力
一
摘
赋
（ 兰州理工大学 ， 甘肃省有 色金属新材料重点实 验室 ， 甘肃 兰州 ７０５ ） ３００
要 ： 国防工业 、 空航天等工程领域 ， 在 航 材料 在极其 恶 劣的条 件下 服役 ， 材料失 效 的情 况难 免经常 发生 ， 由此造
成 的损失不可估 量。本研 究利用大型商用有 限元 分软件 Ａ Ａ Ｕ ， Ｂ Ｑ Ｓ 在普通 Ｐ Ｃ机上真 实再 现 了某 工程材 料的各种力
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》一、引言近年来，随着新材料科学的发展，负泊松比材料因其独特的力学性能和结构特性，逐渐引起了广泛关注。
内凹负泊松比蜂窝作为一种典型的负泊松比结构，其静动态力学性能的研究对于其在实际工程中的应用具有重要意义。
本文旨在探讨内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能，以期为相关研究与应用提供理论依据。
二、内凹负泊松比蜂窝的结构特点内凹负泊松比蜂窝是一种具有特殊几何形状的蜂窝结构，其基本单元在受到外力作用时，能够产生负泊松比效应。
这种结构具有轻质、高强、抗冲击等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医学等领域。
三、静力学性能研究1. 实验方法本文采用实验与数值模拟相结合的方法，对内凹负泊松比蜂窝的静力学性能进行研究。
实验中，通过制备不同尺寸和形状的内凹负泊松比蜂窝试样，对其在准静态载荷下的力学响应进行测试。
同时，利用有限元分析软件对实验过程进行模拟，以验证实验结果的准确性。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在准静态载荷下表现出优异的力学性能。
在受到外力作用时，其结构能够有效地分散和传递载荷，具有较高的能量吸收能力。
此外，内凹负泊松比蜂窝的力学性能受其几何形状、尺寸等因素的影响。
通过数值模拟，可以更深入地了解内凹负泊松比蜂窝的应力分布、变形模式等力学行为。
四、动力学性能研究1. 实验方法动力学性能研究主要采用冲击试验和数值模拟相结合的方法。
通过高速摄像机记录内凹负泊松比蜂窝在冲击载荷下的动态响应，同时利用有限元分析软件对冲击过程进行模拟，以研究其动态力学性能。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在冲击载荷下表现出良好的能量吸收能力和抗冲击性能。
其结构能够在冲击过程中有效地吸收和分散能量，减少对内部结构的破坏。
此外，内凹负泊松比蜂窝的动态力学性能受冲击速度、冲击角度等因素的影响。
通过数值模拟，可以更全面地了解其动态响应和破坏模式。
五、结论本文对内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能进行了研究，得出以下结论：1. 内凹负泊松比蜂窝在准静态载荷下具有优异的力学性能和能量吸收能力。
跨尺度力学的案例和可能模式Trans-scale Mechanics –
NonLocal 区 域
* 解决空间尺度上的差距
Hardness (GPa)
硬度- 压入深度
100
3/5R
80
接Co触nt原ac子t a法toms 宏Ma观cr表o-象representation
60
40
20
2R
0
1/4R
-20
-40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
h(nm)
MST/CST 与 MD/FE
MST
可能范式3 – 基于底层的跨尺度算法
例： 原子/分子牛顿方程+统计热力学的算法
牛顿方程
统计热力学
时空扩展
(例： CST，QC)
更多的针对跨尺度力学的挑战
例1。必须计及原子事件的宏观现象：
•困难：原子事件的特征时间 t =10-13 s
•要求： 计及位错、滑移……的宏观变形 非准静态变形（有限温度）
are packaged into DFD
v T
1 0
Y
0
s = s ()
= s / (1 - D)
Parameters and their dimensions
entity Macro-Parameters
sample size material density sound speed constitutive stress impact velocity Meso-Parameters nucleation rate of microcrack density growth rate of microcrack microcrack size
复合材料多层结构跨尺度精细建模与多模式失效机理
复合材料多层结构跨尺度精细建模与多模式失效机理
复合材料的多层结构在跨尺度精细建模方面需要考虑多个层次的结构特性和失效机制。
在建模过程中，可以采用多层模型和多尺度方法来描述不同尺度的结构特性。
例如，可以使用宏观本构模型来描述整体结构的力学行为，通过各向同性或各向异性的弹性模型来描述材料的力学性质。
对于复合材料的多层结构，常常存在不同尺度下的失效机制。
在微观尺度下，可以考虑纤维和基质相互作用、界面损伤等因素对材料性能的影响。
在宏观尺度下，可以考虑整体结构的弯曲、剪切、拉伸等载荷作用下的失效机制。
在多模式失效机理方面，复合材料的失效可以表现为多种模式，如纤维断裂、基质损伤、层间剥离、界面失效等。
这些不同的失效模式可以通过适当的损伤模型来描述，以便更好地预测和分析复合材料的失效行为。
综上所述，复合材料多层结构的跨尺度精细建模和多模式失效机理分析是复合材料研究中重要的课题，可以帮助理解和优化复合材料的性能和设计。
身管精锻过程跨尺度多晶体塑性有限元模拟与织构预测
身管精锻过程跨尺度多晶体塑性有限元模拟与织构预测徐笑;樊黎霞;王亚平;董晓彬【摘要】径向精锻是一种先进的身管制造方法.身管的多晶体材料经锻打后,晶粒会发生择优取向形成织构,在宏观上产生各向异性现象,这是普通有限元方法所无法模拟的.利用数学软件Matlab和程序设计语言Python联合编程并结合有限元软件ABAQUS,建立身管精锻宏观模型和细观多晶体模型;应用跨尺度方法,开发程序实现了宏观力学至微观力学边界条件的继承,使研究的晶粒尺寸达到了真实尺寸.分析微观多晶体模型的晶粒取向变化,使用Matlab编程画出锻后多晶体材料的极图和取向分布函数图,并用X射线衍射试验验证了晶粒取向模拟结果的正确性.建立了将身管径向精锻从宏观锻造到细观织构联系起来的一套研究方法,为预测锻后身管性能变化提供了思路.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2016(037)007【总页数】7页(P1180-1186)【关键词】兵器科学与技术;身管径向锻造;有限元分析;晶体塑性模型;织构【作者】徐笑;樊黎霞;王亚平;董晓彬【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ05身管是自动武器最重要的部件之一，在射击中承受着高温、高压的火药气体的冲刷和弹丸的剧烈摩擦。
与传统身管制造工艺相比，径向精锻技术自动化程度高，提高了线膛和弹膛的同轴度，降低了成本并且提高了寿命，很大程度提高了自动武器的性能。
有限元分析方法是身管径向精锻研究的一种常用方法。
Tszeng等［1］最早建立了径向锻造的轴对称模型。
Domblesky等［2］使用ABAQUS有限元软件对径向锻造过程进行了数值模拟，并且研究了锻件进给速度和锻件不同点的等效塑性应变对其温度的影响。
在国内，樊黎霞等［3］使用ABAQSU有限元软件模拟了身管的径向锻造过程，对径向锻压力及应力进行了数值分析，并用试验验证了模拟结果。
力学的创新案例
力学的创新案例力学是物理学中的一个重要分支，涉及到物体的运动、力的作用、能量的转化等基本问题。
在过去几百年中，许多科学家和工程师都致力于创新力学理论和应用技术，推动了人类的科技进步。
以下是几个力学领域的创新案例：1. 爆炸动力学：爆炸动力学是研究爆炸现象的科学，对于军事、矿业、石油等领域都有重要的应用价值。
20世纪50年代，美国科学家约翰·冯·诺伊曼和尤金·温格特发明了计算机模拟爆炸的方法，大大推动了爆炸动力学的研究和应用。
2. 超材料：超材料是一种具有特殊物理性质的材料，可以用于制造隐形衣、超级透镜等高科技产品。
2016年，英国伯明翰大学的科学家发明了一种新型超材料，可以将声波和机械振动转化为电信号，有望应用于智能传感器和人工听力等领域。
3. 量子力学：量子力学是研究微观粒子行为的科学，对于电子、原子、分子等领域都有广泛的应用。
20世纪初，德国物理学家马克斯·波恩发现了量子力学中的波粒二象性，为现代物理学的发展奠定了基础。
近年来，量子计算和量子通信等技术也得到了快速发展，有望在未来推动信息科技的革命。
4. 机器人学：机器人学是研究机器人设计、控制、感知和学习等问题的科学。
21世纪初，美国麻省理工学院的科学家开发出了一个名为“Atlas”的人形机器人，具有高度的移动性和灵活性，可以在复杂环境中执行多种任务。
这种机器人在救援、制造业等领域都有广泛的应用前景。
这些案例展示了力学领域的创新成果和应用价值，也体现了人类科技进步的不断推动和拓展。
在未来，力学领域还将面临更多的挑战和机遇，需要科学家和工程师们不断努力创新，为人类社会的发展做出更大的贡献。
耦合过程及其多尺度行为的理论与应用研究
耦合过程及其多尺度行为的理论与应用研究一、概述耦合过程及其多尺度行为的理论与应用研究，是一个跨学科的综合性研究领域，涉及物理学、化学、生物学、工程学等多个学科。
耦合过程指的是两个或多个系统或过程之间相互作用、相互影响的现象，这种相互作用往往导致系统整体性质的改变和新现象的产生。
而多尺度行为则是指在不同时间或空间尺度上，系统或过程所表现出的不同特征和规律。
在自然界和工程实践中，耦合过程及其多尺度行为广泛存在，如气候系统中的大气海洋陆地相互作用、生物体内的代谢过程与基因表达的相互调控、材料科学中的多相流与界面反应等。
这些耦合过程不仅影响着系统的基本性质和功能，同时也是许多复杂现象和问题的根源。
深入研究耦合过程及其多尺度行为，对于揭示自然现象的本质、优化工程设计和推动科技进步具有重要意义。
在理论层面，耦合过程及其多尺度行为的研究需要借助数学、物理和计算科学等多学科的知识和方法。
通过建立数学模型和仿真算法，可以定量描述和分析耦合过程的动力学行为、多尺度特征以及参数影响等。
随着计算机技术的不断发展，高性能计算和大数据分析等技术的应用也为耦合过程的研究提供了新的手段和可能性。
在应用层面，耦合过程及其多尺度行为的研究成果在多个领域具有广泛的应用前景。
在气候预测和环境保护中，可以通过研究大气海洋陆地等系统的耦合过程来预测极端天气和制定减排策略在生物医学工程中，可以利用多尺度模拟和优化方法来设计更高效的药物和医疗器械在材料科学和能源领域，可以通过研究材料的多尺度结构和性能关系来开发新型材料和提高能源利用效率。
耦合过程及其多尺度行为的理论与应用研究是一个充满挑战和机遇的研究领域。
通过深入探索和理解耦合过程的本质和规律，我们可以为自然现象的解释、工程设计的优化以及科技进步的推动提供有力的理论支撑和实践指导。
1. 耦合过程的概念与定义作为一种广泛存在于物理、生物、社会等系统中的现象，是指两个或多个系统、部分或元素之间存在的相互作用、相互关联以及能量或信息交换的过程。
跨尺度计算方法
跨尺度计算方法
跨尺度计算方法是一种用于处理多尺度问题的计算方法。
在自然科学和工程领域中，我们经常需要处理涉及不同尺度的问题，例如从分子到宏观的生物体系、从原子到宏观的材料结构和从微观到宏观的流体动力学问题。
针对这些多尺度问题，传统的计算方法往往需要大量的计算资源和时间，而且难以保证准确性。
跨尺度计算方法通过将问题分解为多个子问题，并在不同尺度之间建立联系，可以有效地减少计算资源的消耗和提高计算的准确性。
跨尺度计算方法可以分为两种类型：多尺度建模和多尺度仿真。
多尺度建模是将不同尺度的问题转化为同一尺度的问题，通过引入有效的参数和模型来描述不同尺度之间的关系。
多尺度仿真则是通过将不同尺度的计算结果进行耦合，得到全局的计算结果。
跨尺度计算方法在材料科学、生物医学、化学反应等领域都有广泛的应用。
例如，在材料科学领域，跨尺度计算方法可以用于设计新材料的结构和性能；在生物医学领域，跨尺度计算方法可以用于预测药物的作用机制和疾病的发展过程；在化学反应领域，跨尺度计算方法可以用于优化反应条件和预测反应中的中间体和产物。
- 1 -。
跨尺度模拟方法在化学反应动力学中的应用
跨尺度模拟方法在化学反应动力学中的应用引言：化学反应动力学研究了化学反应速率随时间的变化规律。
为了深入了解化学反应背后的分子层面机制，科学家不断开发新的模拟方法。
良好的模拟方法可以使我们对化学反应动力学有更全面的理解，并有助于设计更高效的催化剂和反应条件。
在最近的研究中，跨尺度模拟方法被广泛应用于化学反应动力学的研究中，为我们揭示了反应中的细节和反应的整体过程。
主体：跨尺度模拟方法是一种综合多个尺度模拟手段的方法。
它将分子动力学模拟方法、量子力学方法和连续介质模拟方法相结合，使得我们可以从原子水平上模拟化学反应的动力学过程。
首先，分子动力学模拟方法被用来模拟小尺度下的分子振动和构型变化。
通过分子动力学模拟，我们可以观察到反应发生时分子之间的相互作用和构型变化。
这有助于我们对反应机理的理解和对中间体的研究。
其次，量子力学方法用于计算系统中的能量和反应势能面。
量子力学方法可以更准确地描述电子结构，包括键的形成和断裂。
通过计算反应势能面，我们可以确定反应的活化能和反应速率常数。
这些参数对于预测和优化化学反应至关重要。
最后，连续介质模拟方法被用来模拟大尺度下的溶剂效应和相互作用。
在化学反应中，溶剂可以极大地影响反应速率和选择性。
连续介质模拟方法可以帮助我们了解溶剂对反应动力学的影响，并为我们优化反应条件提供指导。
跨尺度模拟方法的应用不仅限于单个反应，还可以用于模拟复杂的反应网络。
通过模拟多个反应步骤和中间体的形成，我们可以揭示整个反应网络的动力学行为和关键步骤。
此外，跨尺度模拟方法还可以用于研究催化反应。
催化剂可以显著加速化学反应速率，并且在工业和环境应用中发挥着重要的作用。
通过跨尺度模拟方法，我们可以探索催化剂和底物之间的相互作用，理解催化反应的机理，从而设计更高效和具有选择性的催化剂。
此外，跨尺度模拟方法还可以与实验相结合，进行参数校准和验证。
由于跨尺度模拟方法可以提供更加准确的信息，与实验结果进行对比可以进一步验证模拟结果的可靠性，并帮助我们改进模拟方法的精度和效率。
漫步微观世界的“跨尺度”对话——北京化工大学机电学院教授梁立红与其先进材料及结构跨尺度力学研究
创新之路Way of Innovation漫步微观世界的“跨尺度”对话——北京化工大学机电学院教授梁立红与其先进材料及结构跨尺度力学研究 庞红硕近年来，随着微纳米力学理论的发展Array以及新型材料和结构的应用，微纳米结构薄膜（或涂层）作为一种研究载体愈来愈受到关注。
陶瓷涂层由于较好的耐磨、耐腐蚀、高熔点、低热导等性能在航空航天、航海、化工和能源等众多领域都有广泛的应用。
而对这种热障涂层体系力学性能的研究，不仅对工业应用具有重要指导意义，还促进了薄膜和界面力学理论的发展。
例如，国家自然科学基金项目——“纳米结构热障涂层的损伤灾变实验及机理研究”,这项研究不仅对实际涂层应用设计具有参考意义，而且为研究微纳米多尺度力学及建立有效的涂层微结构-力学性能关联模型提供了很好的载体。
为此，记者专访了项目负责人——北京化工大学机电学院教授梁立红。
多年来，梁立红主要从事先进材料及结构跨尺度力学相关研究。
她介绍，随着人们对自然界认识的加深，对自然界中很多材料微观结构的研究，往往能细化到纳米量级。
“这些纳米线、薄膜或微结构（晶粒尺度）在纳米量级的宏观材料，其力学性能依赖于特征尺度，如纳米晶金属强度随晶粒减小而增加，传统连续介质理论无法刻画。
研梁立红Copyright©博看网 . All Rights Reserved.54 科学中国人 2020年9月究这种尺度-性能内在关联及表征方法即跨尺度力学”。
跨尺度力学作为研究前沿不仅具有重要科学意义，而且对先进材料设计及应用具有实际参考价值。
采访中，听梁立红教授娓娓道来，记者仿佛置身于一个浩渺无垠的微观世界，跟随她徜徉其中，开展一场“跨尺度”对话。
缘不知所起，一往而深1981年，德国科学家格莱特首次提出了纳米的概念。
1984年，他把一些极其细微的金属粉末用特殊方法压制成一个小金属块，并对这个小金属块的内部结构和性能做了详细的研究。
结果发现这种金属竟然呈现出许多不可思议的特异金属性能和内部结构。
跨尺度的结构超滑和超低摩擦
跨尺度的结构超滑和超低摩擦
作者：暂无
来源：《科学中国人》 2019年第2期
清华大学工程力学系、微纳米力学与多学科交叉研究中心暨摩擦学国家重点实验室郑泉水教授团队，与国内外学者合作，将关于“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”的综述文章发表于N a t u r e 。
摩擦、磨损对人类社会影响深远。
据统计，全球约1/4的一次性能源因摩擦而损耗，约80%的器件失效由磨损而引起。
两个固体表面直接接触并相对滑移运动，摩擦磨损主要源于表面本身的粗糙性、表面之间的夹杂物和化学键等。
该篇展望综述更新介绍了结构超滑进展，并阐述了结构超滑未来的发展趋势和主要面临的挑战。
结构超滑很可能正处于产生颠覆性关键技术和源头创新技术的前夜。
跨尺度计算原理和应用
跨尺度计算原理和应用
跨尺度计算是一种将不同尺度的模型和方法相结合的计算方法，它可以在不同尺度上对物理、化学、生物等领域的问题进行研究和解决。
跨尺度计算的原理是将宏观尺度和微观尺度的模型相结合，通过计算机模拟和数值计算的方法，对物质的结构、性质和行为进行研究和预测。
跨尺度计算的应用非常广泛，例如在材料科学领域中，可以通过跨尺度计算来研究材料的结构和性质，预测材料的力学性能、热学性能和电学性能等。
在生物医学领域中，跨尺度计算可以用来研究生物分子的结构和功能，预测药物的作用机制和副作用等。
在环境科学领域中，跨尺度计算可以用来研究大气、水体和土壤等环境系统的结构和动态行为，预测环境污染的扩散和影响等。
跨尺度计算的方法包括分子动力学模拟、量子化学计算、连续介质模拟等。
其中，分子动力学模拟是一种常用的跨尺度计算方法，它可以模拟分子的运动和相互作用，预测分子的结构和性质。
量子化学计算则是一种更加精确的跨尺度计算方法，它可以用量子力学的原理来计算分子的结构和能量，预测分子的光学、电学和磁学性质等。
连续介质模拟则是一种将宏观尺度和微观尺度相结合的跨尺度计算方法，它可以模拟连续介质中的流体、固体和气体等物质的运动和相互作用，预测介质的流动、传热和传质等性质。
跨尺度计算是一种非常重要的计算方法，它可以用来研究和解决各种领域的问题，为科学研究和工程应用提供了有力的支持。
随着计算机技术的不断发展和计算方法的不断创新，跨尺度计算将会在更多的领域中得到广泛的应用和发展。
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✓ 空间尺度
l* r0 10-10 m,
r0 : 原子相互作用历程
✓ 时间尺度
t* (0/m r02) 10-13 s,
0:势函数的能量 m:原子质量
w
4 0 [(
r0 r
)12
(
r0 r
)6
]
r0 -0
出现什么新问题？
微米/纳米工程中的空间和时间尺度： ➢ MEMS/NEMS ➢ 纳米力学测量和操纵: 针尖- 表面/原子
T 1 Y
De* ac * tV LV * ti
* 长度比c*/L 1， 但是不独立出现
内禀Deborah 数：D* nN*c*5 / V*
表征特征损伤
Dc
D*
0 (c f )nN (c0 )dc0
0
(c f )nN (c0 V (c0, c f )
N
ln h Di 1/ 6
A
r xi ,i 1,..., N
i 1
kT
ur
A( xi ) 0
* 解决时间尺度上的差距
M Hu, Mechanical Behavior and Micro-mechanics of Nanostructured Materials, Springer 2007, 163-170
特征空间结构的涌现
稳态结构的特征尺度：
自由体积效应
: D : nm
G
热效应
: : m &
边界层
: t : X
U
案例2。由宏观和细观上不同的物理机制 控制的多时空尺度耦合问题 – 微损伤演化
应 力 波 造 成 的 层 裂 破 坏
出现什么新问题？
层裂在宏观上既不符合能量准则，也 不符合冲量准则。
tR Q0
DeG
tRQ tG
G R0 Q0
空间尺度,
粘性扩 散尺度
l2
R02
Q0
R0
Q0
热扩散 尺度
l2
R0
Q0
孔穴扩 散尺度
lD2
DR0 Q0
Spatial and temporal related scales:
tD : lD2 / D t : l 2 /
a unified set that should be solved simultaneously.
Barenblatt, Closing lecture at 18th ICTAM, 1992
•形成联立的跨尺度耦合的方程组 •联立求解 •耦合机理 新的规律
微观“相”空间的 时空演化方程
连续体方程 本构关系
( c ) t K 1<2
Fortov: a fundamental problem
Meso- and Macro-Coupling equations
n t
(n A) c
(n v) x
nN
v v 0
t
x
Ngan A, 2001
* 同时涉及时间和空间尺度的差异
分子/集团统计热力学算法（MST/CST)
– 基于原子/分子作用势的准静态模拟
两象性： 3N振子(i) N 原子(xi)
A 经典近似
kT
N i 1
3 ln
1
hi
kT
3kT
are packaged into DFD
v T
1 0
Y
0
s = s ()
= s / (1 - D)
Parameters and their dimensions
entity Macro-Parameters
sample size material density sound speed constitutive stress impact velocity Meso-Parameters nucleation rate of microcrack density growth rate of microcrack microcrack size
可能范式2 - 跨尺度耦合方程组
In the mathematical models of such phenomena, the macroscopic equations of mechanics and the kinetic equations of the microstructural transformations form
• 由宏观和细观两个层次耦合所控制的多时空
尺度问题
灾变破坏
• 涉及原子-分子间相互作用的多时空尺度问题 纳米技术
案例1。宏观上由多个物理机制控制的 多时空尺度问题 – 非晶剪切带
~ 10 nm
1 m
1m
J. J. LEWANDOWSKI*† AND A. L. GREER， （2006）Nature
出现什么新问题？
非晶金属没有
晶格
（10-1 nm）
微组织结构(m)
为什么会出现101 纳米量级特征宽度 的结构，并影响宏观力学性质？
Multiscaled Equations
2
t 2
2
y 2
2
K
t Cv y2 Cv t
( ,&, , )
2
D
G( , , )
t
y 2
时间尺度, Deborah numbers :
松弛
时间
外载
时间
t&
1
&0
tR
R0
0
tRQ
R0 Q0
;
失稳发 展时间
tG
1 G
De tR &0R0 : O(1) t& 0
De tRQ 0 O(1);
可能范式3 – 基于底层的跨尺度算法
例： 原子/分子牛顿方程+统计热力学的算法
牛顿方程
统计热力学
时空扩展
(例： CST，QC)
更多的针对跨尺度力学的挑战
例1。必须计及原子事件的宏观现象：
•困难：原子事件的特征时间 t =10-13 s
•要求： 计及位错、滑移……的宏观变形 非准静态变形（有限温度）
x
v v v 1 σ
t
x
x
(e q) v (e q) 1 σ v 1 2h
t
x
x xx
D(t,Y ) : n(t,Y , c)c3dc 0
Microdamage Continuum Momentum Energy
D - meso level closed approximation (1-D)
D D v f
T
0 Y
f
0nN (c; ) (c) dc
0 {nN
(c0
)
cf c0
'
(c)
dc}
dc0
2
v
0
T 0 Y
All details on meso-scale
yr
R
f%
r R
;
D R
,
A
LV ,
R
LV g
R
A： Hamaker 常数 LV：液体表面张力系数 ： 液体密度 g： 重力加速度
三个特征尺度（跨106）：
lA
A ~ nm
LV
范德华力表面张力
R ~ μm
针尖
LV ~ mm g
微米/纳米工程 原子间相互作用
空间尺度
10-6 m- 10-9 nm 10-10 m,
时间尺度 sec-min (准静态)
t* 10-13 s,
纳米硬度测量中的问题？ lim H (h) F(h) 0 ?
h0
A(h) 0
MD simNuorelyaatniAo, 2n005
Exp observation
NonLocal 区 域
* 解决空间尺度上的差距
Hardness (GPa)
硬度- 压入深度
100
3/5R
80
接Co触nt原ac子t a法toms 宏Ma观cr表o-象representation
60
40
20
2R
0
1/4R
-20
-40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
h(nm)
MST/CST 与 MD/FE
MST
表面张力重力
涉及分子间相互作用的 跨尺度问题 – 针尖和表面
球针和液面间作用的特征尺度
y0
~
~
A
Rg
LV
1/ 3
球针和固面间作用的特征尺度
（弹性黏附问题）
Tabo03
1/ 3
RgE*22
1/ 3
/0
案例4。涉及原子间相互作用的 内禀空间和时间尺度的跨尺度计算
Y =0+k/d1/2
• 内禀特征尺度：长度，时间，……
需要处理内禀特征尺度的效应
为什么要发展跨尺力学