复合材料与界面纳米结构热传导问题分子动力学与连续介质跨尺度耦合模型与算法

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1、复合材料与界面纳米结构热传导问题分子动力学与连续介质跨尺度耦合模型与算法　　摘要：构一体化的热、力耦合多尺度模型与算法研究是力学、数学、物理学与材料科学多学科交叉的前沿领域，也是重大装备研发中需要着重解决的基础科学问题。材料与结构在裂纹、空洞、夹杂、纤维取向、基体分布形态等方面具有内在的不确定性，其损伤和破坏还表现为复杂的热力耦合非线性多尺度力学行为。尺度间隙和跨尺度连接，涉及微―细―宏观不同尺度间数学物理模型的联系与差别等基本问题，建立微/纳米尺度的热、力模型，揭示热、力耦合的物理机制，发展材料与

2、结构一体化的宏―细―微观耦合的多尺度模型与算法，具有重要的理论与实际意义。结果表明：复合材料界面结构对于材料的力、热、电、磁等物理、力学性能有十分重要的影响。我们针对复合材料与界面纳米结构热传导问题，发展了一类分子动力学与连续模型跨尺度耦合模式、MD/FEM耦合算法，并编写了相关计算程序。主要进展有：（1）实现了纳米结构导热系数等热学参数的分子动力学计算和量子校正；（2）发展了复合材料和多孔材料周期及随机结构热传导问题连续模型的多尺度算法；（3）提出了一类分子动力学与连续模型的跨尺度关联模式和MD/

3、FEM耦合算法；（4）实现了三维复合材料和界面纳米结构的MD/FEM计算。　　关键词：分子动力学-连续介质耦合模型热传导多尺度渐近展开分子动力学有限元方法3　　AMolecularDynamics-ContinuumCoupledModelforHeatTransferinCompositeMaterials　　CaoLiqun1HuangJizu2　　（1.AcademyofMathematicsandSystemsScience；2.InstituteofSoftwareChineseAcade

4、myofSciences）　　Abstract：Theheattransferproblemincompositematerialshasbeeninvestigatedwhichcontainthenano-scaleinterface.Amoleculardynamics-continuumcoupledmodelisdevelopedtostudytheheattransportfromthemacro-tothemicro-scales.Themodelincludesfourmajorst

5、eps：（1）Areversenon-equilibriummoleculardynamics（RNEMD）isusedtocalculatesomephysicalparameterssuchasthethermalconductivitiesontheinterface.（2）Thehomogenizationmethodisappliedtocomputethehomogenizedthermalconductivitiesofcompositematerials.（3）thetemperat

6、urefieldintheglobalstructureofcompositematerialsiscomputedwiththemultiscaleasymptoticmethodforthemacroscopicheattransferequation.（4）Amoleculardynamics-continuumcoupledmodelhasbeendevelopedtoreevaluatethetemperaturefieldofcompositematerials，inparticular

7、，thelocaltemperaturefieldneartheinterface.Thenumericalresultsinone-，two-andthree-dimensionalstructuresofcompositematerialsincludingthenano-scaleinterfacearegiven.Goodagreementhasbeenachieved3betweenthenumericalresultsoftheproposedcoupledalgorithmandtho

8、seofthefullMDsimulation，demonstratingtheaccuracyofthepresentmethodanditspotentialapplicationsinthethermalengineeringofcompositematerials.　　KeyWords：Amoleculardynamics-continuumcoupledmodel；Heattransfer；Multiscaleasymptoticexpansion；Mole