In analyzing the nano-scale behavior of nano devices or materials, QC method is efficient because it does not treat all the atoms. But for more accurate analysis in QC method, it is important to consider temperature and surface effects. In finite temperature, free energy is considered instead of potential energy. Because the surface area to volume ratio increases as the length scale of a body decreases, the surface effects are more dominant. In this paper, temperature related Cauchy-Born rule and surface Cauchy-Born rule are proposed to configurate the strain energy density. This method is applied to small and homogeneous deformation in two dimensional problem using finite element simulation.
We present a full energy and force formulation of the quasicontinuum method with non-local and local transition elements. Non-local transition elements are developed to transmit inhomogeneity from the atomistic to the continuum regions. Local transition elements are developed to resolve the mathematical mismatch between non-local atoms and the local continuum. The rationale behind these transition elements is provided by analyzing the energy and force transitions between atoms and continuum under the Cauchy-Born rule. We show that breakdown of the Cauchy-Born rule occurs for slaved atoms of local elements within the cutoff of non-local atoms. The inadequacy of the Cauchy-Born rule at the transition region naturally leads to the need of atomistic treatment of transition slaved and transition representative atoms. Such an atomistic treatment together with a full or cutoff sampling allows non-local transition elements containing these transition entities to transmit inhomogeneity. Different force formulations for transition representative atoms and pure local representative atoms allow the local transition elements to resolve non-local and local mismatches. The method presented herein is validated by force calculations in an unstressed perfect crystal as well as an unrelaxed grain boundary model. A nanoindentation simulation in 3D is conducted to demonstrate the accuracy and efficiency of the proposed method.
In analyzing the nano-scale phenomena or behaviors of nano devices or materials, it is often desirable to deal with more atoms than can be treated only with a full atomistic simulation. However, even now, it is advisable to apply the atomistic simulation to the narrow region where the deformation field changes rapidly but to apply the conventional continuum model to the region far from that region. This equivalent continuum model can be formulated by applying the Cauchy-Born rule to the exact atomistic potential as in the quasicontinuum method. To couple the atomistic model with the equivalent continuum model, continuum displacements are conformed to the molecular displacements at the discrete positions of the atoms within the bridging domain. To satisfy the coupling constraints, we apply the Lagrange multiplier method. The continuum model in the bridging model should be applied on the region where the deformation field changes gradually. Then we can make the nodal spacing in the continuum model be much larger than the atomic spacing. In the first step, we generate the atomic-resolution mesh with the nodal spacing equal to the atomic spacing, and then we eliminate the nodal degrees of freedom adaptively using the node deactivation techniques. We eliminate more DOFs as the regions are more far from the atomistic region. Computing time and computational resources can be greatly reduced by the present node deactivation technique in multi scale analysis.
본 논문에서는 표면효과와 비선형 탄성효과를 고려한 FCC 나노박막의 순차적 멀티스케일 해석 모델을 제시한다. 표면에서의 구성방정식은 표면응력과 표면탄성계수를 이용하여 선형으로 표시되며, 표면효과를 나타내기 위한 표면물성들은 EAM 포텐셜을 이용한 원자적 계산 방법으로 계산된다. 두께가 얇은 나노박막은 표면응력으로 인하여 면내 방향으로 수축 또는 인장의 변형이 발생하게 된다. 나노박막의 평형상태에서의 변형율은 두께가 얇은 박막의 경우 재료가 선형 탄성 영역을 벗어나는 값을 가지는 경우가 많으므로 나노박막의 해석시 벌크 영역의 비선형 탄성 효과를 고려해야 한다. 이러한 비선형 탄성 효과를 고려하기 위해 본 연구에서는 FCC 구조를 가지는 금속의 비선형 탄성 모델을 제시하고, EAM 포텐셜로 계산된 응력과 탄성 계수를 이용하여 매칭 기법을 통하여 비선형 탄성 모델의 계수들을 결정한다. 또한 Cauchy-Born Rule 모델과 분자동역학 전산모사를 통하여 본 연구에서 제안된 비선형 탄성 모델에 대한 검증을 수행한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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