Trong thập kỷ vừa qua, các trọng tâm của toàn thế giới nghiên cứu khoa học đã chuyển sang các nghiên cứu về hành vi của vật liệu ở quy mô nguyên tử của vật chất.. Theo kỹ sư thường nghiê
Trang 1Preface xi
1 Introduction 1
1.1 Potential of Nanoscale Engineering 1
1.2 Motivation for Multiple Scale Modeling 2
1.3 Educational Approach 5
2 Classical Molecular Dynamics 7 2.1 Mechanics of a System of Particles 7
2.1.1 Generalized Coordinates 8
2.1.2 Mechanical Forces and Potential Energy 8
2.1.3 Lagrange Equations ofMotion 10
2.1.4 Integrals of Motion and Symmetric Fields 12
2.1.5 Newtonian Equations 13
2.1.6 Examples 14
2.2 Molecular Forces 17
2.2.1 External Fields 18
2.2.2 Pair-Wise Interaction 20
2.2.3 Multibody Interaction 24
2.2.4 Exercises 26
2.3 Molecular Dynamics Applications 28
Nội dung Lời nói đầu xi 1 Giới thiệu 1 1,1 tiềm năng của kỹ thuật nano 1
1,2 Động lực cho nhiều Quy mô mẫu 2
1,3 Phương pháp giáo dục 5
2 cổ phân tử Dynamics 7 2,1 Cơ khí của một hệ thống của hạt 7
2.1.1 quát Tọa độ 8
2.1.2 Cơ khí Năng lượng và tiềm năng 8
2.1.3 Các phương trình Lagrange ofMotion 10
2.1.4 Integrals của Motion và Symmetric Fields 12
2.1.5 thuyêt học Newton phương trình ́ 13
2.1.6 Các ví dụ 14
2,2 phân tử lượng 17
2.2.1 Các trường ngoài 18
2.2.2 Pair-Wise Tương tác 20
2.2.3 Multibody Tương tác 24
2.2.4 Các bài tập 26
2,3 Molecular Dynamics Ứng dụng 28
3 Lattice Mechanics 37 3.1 Elements of Lattice Symmetries 37
3.1.1 Bravais Lattices 38
3.1.2 Basic Symmetry Principles 40
3.1.3 Crystallographic Directions and Planes 42
3.2 Equation of Motion of a Regular Lattice 42
3.2.1 Unit Cell and the Associate Substructure 43
3.2.2 Lattice Lagrangian and Equations of Motion 45
3.2.3 Examples 47
3.3 Transforms 49
Trang 23.3.1 Fourier Transform 50
3.3.2 Laplace Transform 51
3.3.3 Discrete Fourier Transform 53
3 lưới Cơ khí 37 3,1 yếu tố của lưới đối xứng 37
3.1.1 Bravais lattices 38
Symmetry Nguyên tắc cơ bản 3.1.2 40
3.1.3 tinh thể Chỉ Dẫn và Planes 42
3,2 Equation của Motion của một lưới thường 42
3.2.1 Đơn vị Cell và Hạ tầng cơ sở Associate 43
3.2.2 lưới Lagrange và phương trình của Motion 45
3.2.3 Các ví dụ 47
3,3 Transforms 49
3.3.1 Fourier Transform . 50
3.3.2 Laplace Transform 51
3.3.3 Chuyển đổi Fourier rời rạc 53
3.4 StandingWaves in Lattices 54
3.4.1 NormalModes and Dispersion Branches 55
3.4.2 Examples 57
3.5 Green’s Function Methods 58
3.5.1 Solution for a Unit Pulse 59
3.5.2 Free Lattice with Initial Perturbations 61
3.5.3 Solution for Arbitrary Dynamic Loads 61
3.5.4 General Inhomogeneous Solution 62
3.5.5 Boundary Value Problems and the Time History Kernel 62
3.5.6 Examples 65
3.6 Quasi-Static Approximation 66
3.6.1 Equilibrium State Equation 66
3.6.2 Quasi-Static Green’s Function 67
3.6.3 Multiscale Boundary Conditions 67
3,4 StandingWaves trong lattices 54
3.4.1 NormalModes và Dispersion Chi nhánh 55
3.4.2 Các ví dụ 57
3,5 Green's Function Methods 58
3.5.1 Giải pháp cho một đơn vị Pulse 59
3.5.2 Miễn phí lưới với Perturbations ban đầu 61
3.5.3 Giải pháp cho Arbitrary Dynamic Loads 61
3.5.4 Giải pháp tổng Inhomogeneous 62
3.5.5 Giá trị vấn đề ranh giới và Lịch sử Thời hạt nhân 62
3.5.6 Các ví dụ 65
3,6 Quasi-tĩnh xấp xỉ 66
3.6.1 Equilibrium Nhà nước Equation 66
3.6.2 Quasi-tĩnh Green's Function 67
3.6.3 Điều kiện Multiscale ranh giới 67
4 Methods of Thermodynamics and Statistical Mechanics 79 4.1 Basic Results of the Thermodynamic Method 80
4.1.1 State Equations 81
4.1.2 Energy Conservation Principle 84
4.1.3 Entropy and the Second Law of Thermodynamics 86
4.1.4 Nernst’s Postulate 88
4.1.5 Thermodynamic Potentials 89
4.2 Statistics of Multiparticle Systems in Thermodynamic Equilibrium 91
4.2.1 Hamiltonian Formulation 92
4.2.2 Statistical Description of Multiparticle Systems 93
4.2.3 Microcanonical Ensemble 97
4.2.4 Canonical Ensemble 101
Trang 34.2.5 Maxwell–Boltzmann Distribution 104
4.2.6 Thermal Properties of Periodic Lattices 107
4.3 Numerical Heat Bath Techniques 111
4.3.1 Berendsen Thermostat 112
4.3.2 Nos´e–Hoover Heat Bath 118
4.3.3 Phonon Method for Solid–Solid Interfaces 119
4 phương pháp của Nhiệt động lực học và thống kê Cơ khí 79 4,1 Kết quả cơ bản của phương pháp nhiệt 80
4.1.1 Nhà nước phương trình 81
4.1.2 Năng lượng Nguyên tắc bảo tồn 84
4.1.3 Entropy và Luật hai nhiệt 86
4.1.4 Nernst của định đề 88
4.1.5 Tiềm năng nhiệt 89
4,2 Thống kê số Multiparticle Systems tại Thermodynamic Equilibrium 91
4.2.1 Hamilton công thức 92
4.2.2 thống kê mô tả của Multiparticle Systems 93
4.2.3 Microcanonical Ensemble 97
4.2.4 Canonical Ensemble 101
4.2.5 Maxwell-Boltzmann Distribution 104
4.2.6 Nhiệt tiết của kỳ lattices 107
4,3 Numerical nhiệt Bồn kỹ thuật 111
4.3.1 Berendsen Thermostat 112
4.3.2 Nos'e-Hoover nhiệt Bồn 118
4.3.3 Phonon Phương pháp cho Solid-Solid giao diện 119
5 Introduction to Multiple Scale Modeling 123 5.1 MAAD 124
5.2 Coarse-GrainedMolecular Dynamics 126
5.3 Quasi-Continuum Method 126
5.4 CADD 128
5.5 Bridging Domain 129
5 Giới thiệu nhiều mẫu Quy mô 123 5,1 MAAD 124
5,2 thô-GrainedMolecular Dynamics 126
5,3 Quasi-Continuum Phương pháp 126
5,4 CADD 128
5,5 Bridging miền 129
6 Introduction to Bridging Scale 131 6.1 Bridging Scale Fundamentals 131
6.1.1 Multiscale Equations of Motion 133
6.2 Removing Fine Scale Degrees of Freedom in Coarse Scale Region 136
6.2.1 Relationship of Lattice Mechanics to Finite Elements 137
6.2.2 LinearizedMD Equation ofMotion 139
6 Giới thiệu về cầu nối giữa Quy mô 131 Quy mô 6,1 Bridging Fundamentals 131
6.1.1 Multiscale phương trình của Motion 133
6,2 Xoa mỹ Quy mô Degrees of Freedom trong thô Quy mô Vùng 136
6.2.1 Mối quan hệ của lưới cơ khí đến yếu tố hữu hạn 137
6.2.2 LinearizedMD Equation ofMotion 139
Trang 46.2.3 Elimination of Fine Scale Degrees of Freedom 141
6.2.4 Commentary on Reduced Multiscale Formulation 143
6.2.5 Elimination of Fine Scale Degrees of Freedom: 3D Generalization 143
6.2.6 Numerical Implementation of Impedance Force 150
6.2.7 Numerical Implementation of Coupling Force 151
6.3 Discussion on the Damping Kernel Technique 152
6.3.1 Programming Algorithm for Time History Kernel 157
6.4 Cauchy–Born Rule 158
6.5 Virtual Atom ClusterMethod 159
6.5.1 Motivations and General Formulation 159
6.5.2 General Idea of the VACModel 163
6.5.3 Three-Way Concurrent Coupling with QM Method 164
6.5.4 Tight-Binding Method for Carbon Systems 167
6.5.5 Coupling with the VACModel 169
6.6 Staggered Time Integration Algorithm 170
6.6.1 MD Update 170
6.6.2 FE Update 172
6.7 Summary of Bridging Scale Equations 172
6.8 Discussion on the Bridging ScaleMethod 173
6.2.3 Xoá bỏ Fine Scale Degrees of Freedom 141
6.2.4 Giảm Multiscale luận về công thức 143
6.2.5 Xoá bỏ Fine Scale Degrees of Freedom: 3D quát 143
6.2.6 Numerical Triển khai thực hiện Trở kháng quân 150
6.2.7 Numerical Triển khai thực hiện Coupling quân 151
6,3 Thảo luận về hạt nhân Damping Kỹ thuật 152
6.3.1 Lập trình Thuật toán cho hạt nhân Lịch sử Thời gian 157
6,4 Cauchy-Sinh Rule 158
6,5 Virtual Atom ClusterMethod 159
6.5.1 động lực và Tổng công thức 159
6.5.2 chung ý tưởng của VACModel 163
6.5.3 Ba-Way đồng thời Coupling với QM Phương pháp 164
6.5.4 Tight-Binding Phương pháp cho Carbon Systems 167
6.5.5 Coupling với VACModel 169
6,6 le Thời gian hội nhập Algorithm 170
6.6.1 MD Cập nhật 170
6.6.2 FE Cập nhật 172
6,7 Tóm tắt các cầu nối giữa Quy mô phương trình 172
6,8 Thảo luận về ScaleMethod Bridging 173
7 Bridging Scale Numerical Examples 175 7.1 Comments on Time History Kernel 175
7.2 1D Bridging Scale Numerical Examples 176
7.2.1 Lennard-Jones Numerical Examples 176
7.2.2 Comparison of VAC Method and Cauchy–Born Rule 178
7.2.3 Truncation of Time History Kernel 179
7.3 2D/3D Bridging Scale Numerical Examples 182
7.4 Two-DimensionalWave Propagation 184
7.5 Dynamic Crack Propagation in Two Dimensions 187
7.6 Dynamic Crack Propagation in Three Dimensions 195
7.7 Virtual Atom Cluster Numerical Examples 200
7.7.1 Bending of Carbon Nanotubes 200
7.7.2 VAC Coupling with Tight Binding 200
7 Bridging Quy mô Numerical Ví dụ 175 7,1 Bình luận về hạt nhân Lịch sử Thời gian 175
7,2 1D Bridging Quy mô Numerical ví dụ 176
7.2.1 Lennard-Jones Numerical ví dụ 176
7.2.2 So sánh các phương pháp VAC và Cauchy-Sinh Rule 178
7.2.3 Truncation của hạt nhân Lịch sử Thời gian 179
7,3 2D/3D Bridging Quy mô Numerical ví dụ 182
7,4 hai DimensionalWave Tuyên truyền 184
7,5 Dynamic Crack Tuyên truyền tại Hai Kích thước 187
Trang 57,6 Dynamic Crack Tuyên truyền tại Ba Kích thước 195
7,7 Virtual Atom Cluster Numerical ví dụ 200
7.7.1 uốn của ống nano carbon 200
7.7.2 VAC Coupling với Tight Binding 200
8 Non-Nearest Neighbor MD Boundary Condition 203 8.1 Introduction 203
8.2 Theoretical Formulation in 3D 203
8.2.1 Force Boundary Condition: 1D Illustration 207
8.2.2 Displacement Boundary Condition: 1D Illustration 210
8.2.3 Comparison to Nearest Neighbors Formulation 211
8.2.4 Advantages of Displacement Formulation 212
8.3 Numerical Examples: 1D Wave Propagation 212
8.4 Time-History Kernels for FCC Gold 213
8.5 Conclusion for the Bridging Scale Method 215
8.5.1 Bridging Scale Perspectives 220
8 không ranh giới gần nhất Neighbor MD Điều kiện 203 8,1 Giới thiệu 203
8,2 lý lý thuyết công thức trong 3D 203
8.2.1 quân ranh giới Điều kiện: 1D Tác giả 207
8.2.2 Dung ranh giới Điều kiện: 1D Tác giả 210
8.2.3 So sánh với công thức Hàng xóm gần nhất 211
8.2.4 Những thuận lợi của Dung công thức 212
8,3 Numerical Ví dụ: 1D Wave Tuyên truyền 212
8,4 Thời-Kernels Lịch sử cho FCC vàng 213
8,5 Kết luận cho Quy mô cầu nối giữa Phương pháp 215
8.5.1 Quy mô Bridging Perspectives 220
9 Multiscale Methods for Material Design 223 9.1 Multiresolution Continuum Analysis 225
9.1.1 Generalized Stress and Deformation Measures 227
9.1.2 Interaction between Scales 231
9.1.3 Multiscale Materials Modeling 232
9.2 Multiscale Constitutive Modeling of Steels 234
9.2.1 Methodology and Approach 235
9.2.2 First-Principles Calculation 235
9.2.3 Hierarchical Unit Cell and Constitutive Model 237
9.2.4 Laboratory Specimen Scale: Simulation and Results 239
9.3 Bio-InspiredMaterials 244
9.3.1 Mechanisms of Self-Healing inMaterials 244
9.3.2 Shape-Memory Composites 246
9.3.3 Multiscale Continuum Modeling of SMA Composites 250
9.3.4 Issues ofModeling and Simulation 256
9.4 Summary and Future Research Directions 260
Appendix A Kernel Matrices for EAM Potential 297 Bibliography 301 Index 315 9 Multiscale phương pháp Chất liệu thiết kế 223 9,1 Multiresolution liên tục phân tích 225
9.1.1 quát Stress và biện pháp biến dạng 227
9.1.2 Tương tác giữa các vảy 231
9.1.3 Multiscale liệu mẫu 232
9,2 Multiscale constitutive mẫu của Thép 234
9.2.1 Phương pháp luận và Phương pháp 235
9.2.2 First-Nguyên tắc tính toán 235
9.2.3 Cấu trúc đơn vị Cell và constitutive Mẫu 237
9.2.4 Phòng thí nghiệm Mẫu Quy mô: Mô phỏng và Kết quả 239
9,3 Bio-InspiredMaterials 244
9.3.1 Cơ chế về tự chữa bệnh inMaterials 244
9.3.2 Shape-Composites Memory 246
9.3.3 Multiscale Continuum Modeling của SMA Composites 250
9.3.4 Các vấn đề ofModeling và mô phỏng 256
9,4 Tóm tắt và tương lai Nghiên cứu Directions 260
10 Bio–Nano Interface 263
Trang 610.1 Introduction 263
10.2 Immersed Finite ElementMethod 265
10.2.1 Formulation 265
10.2.2 Computational Algorithm of IFEM 268
10.3 Vascular Flow and Blood Rheology 269
10.3.1 HeartModel 269
10.3.2 Flexible Valve–Viscous Fluid Interaction 270
10.3.3 Angioplasty Stent 270
10.3.4 Monocyte Deposition 272
10.3.5 Platelet Adhesion and Blood Clotting 272
10.3.6 RBC Aggregation and Interaction 274
10.4 Electrohydrodynamic Coupling 280
10.4.1 Maxwell Equations 281
10.4.2 Electro-manipulation 283
10.4.3 Rotation of CNTs Induced by Electroosmotic Flow 285
10.5 CNT/DNA Assembly Simulation 287
10.6 CellMigration and Cell–Substrate Adhesion 290
10.7 Conclusions 295
10 Bio-Nano Interface 263 10,1 Giới thiệu 263
10,2 đắm ElementMethod hữu hạn 265
10.2.1 công thức 265
10.2.2 Tính toán Thuật toán của IFEM 268
Lưu lượng và 10,3 Mạch máu rheology 269
10.3.1 HeartModel 269
10.3.2 linh hoạt Van-nhớt Fluid Tương tác 270
10.3.3 đặt stent nong mạch tim 270
10.3.4 Monocyte Deposition 272
10.3.5 tiểu cầu bám dính và máu đông máu 272
10.3.6 RBC Aggregation và Tương tác 274
10,4 Electrohydrodynamic Coupling 280
10.4.1 Các phương trình Maxwell 281
10.4.2 điện thao tác 283
10.4.3 xoay của CNTs Induced bởi Electroosmotic Flow 285
10,5 CNT / DNA hội mô phỏng 287
10,6 CellMigration và Cell-Substrate bám dính 290
10,7 Kết luận 295
Phụ lục A Matrices hạt nhân tiềm năng cho eam 297
Trang 7Lời nói đầu
Within the past decade, the emphasis of scientific research worldwide has shifted to the
study of the behavior of materials at the atomic scale of matter
Trong thập kỷ vừa qua, các trọng tâm của toàn thế giới nghiên cứu khoa học đã chuyển sang các nghiên cứu về hành vi của vật liệu ở quy mô nguyên tử của vật chất
The proliferation of scientists and engineers studying matter at this length scale has led to the coining
of the phrase nanotechnology
Sự gia tăng của các nhà khoa học và các kỹ sư nghiên cứu vấn đề ở quy mô chiều dài này đã dẫn đến
sự coining của cụm từ công nghệ nano
This term can generally be taken to imply the investigation and technologicalutilization of the
properties of matter at length scales of one thousand nanometers or smaller
Thuật ngữ này thường có thể được đưa đến hàm ý những điều tra và công nghệ
sử dụng các tính chất của vấn đề ở quy mô chiều dài của một nghìn nanomet hoặc
nhỏ hơn.
Generally, a few thousand atoms will exist in the space of thousand nanometers
Nói chung, một vài nghìn nguyên tử sẽ tồn tại trong không gian của nghìn nanomet.
Many areas of research are rapidly advancing owing to the combined efforts of science
and engineering
Theo kỹ sư thường nghiên cứu tính chất cơ học vật liệu, tương ứng nhấn mạnh nghiên cứu trong cộng đồng kỹ thuật đã được về cơ học nano
In mechanics and materials, we are particularly excited with the progress in research and education that can be achieved by combining engineering and basic sciences through modeling and simulation together with experimentation
Trong cơ khí và vật liệu, chúng tôi đặc biệt vui mừng với sự tiến bộ trong nghiên cứu và giáo dục mà có thể đạt được bằng cách kết hợp kỹ thuật và khoa học cơ bản thông qua các mô hình và mô phỏng cùng với thử nghiệm
Owing to the combination of constantly increasing computational power and the increased knowledge
and understanding of material behavior, multiple scale modeling methods have recently emerged as the
tool of choice to link the mechanical behavior of materials from the smallest scale of atoms
to the largest scale of structures
Do sự kết hợp các quyền lực tính toán không ngừng tăng lên và những kiến thức và gia tăng sự hiểu biết hành vi vật chất, quy mô nhiều phương pháp làm mẫu mới đây đã nổi lên như là công cụ của sự lựa chọn để liên kết các hành vi cơ học của các tài liệu từ quy mô nhỏ nhất của các nguyên tử với quy
mô lớn nhất của cấu trúc
Multiple scale methods offer the best hope for bridging the traditional gap that exists between
experimental approach, the theoretical approach and computational modeling for studying and
understanding the behavior of materials
Nhiều phương pháp quy mô cung cấp với hy vọng tốt nhất cho việc chuyển tiếp khoảng cách truyền thống mà tồn tại giữa các phương pháp thử nghiệm, phương pháp lý thuyết và lập mô hình tính toán cho việc học tập và sự hiểu biết hành vi của vật liệu.
Owing to the central role that multiple scale methodology appears poised to play in
the computational mechanics and materials science in the foreseeable future, this book
aims to summarize the past and the current developments in multiple scale modeling to
provide a coherent starting point from which interested scientists and engineers can begin
their journey into this vast and rapidly expanding subject
Do vai trò trung tâm mà nhiều phương pháp quy mô xuất hiện sẵn sàng để chơi trong các tính toán cơ học và khoa học vật liệu trong tương lai gần, cuốn sách này
nhằm tổng kết quá khứ và những phát triển về quy mô hiện nhiều mô hình để cung cấp một điểm bắt đầu mạch lạc mà từ đó các nhà khoa học quan tâm và kỹ sư có thể bắt đầu
hành trình của họ vào này rộng lớn và nhanh chóng mở rộng đối tượng
We hope that this book is one of the first systematic works aimed at providing knowledge about fundamental concepts behind nanoscale mechanics and materials and the relevant applications The book contains both published and previously unpublished material and is aimed at nanoscale engineers, designers, materials scientists and interested students and researchers
Chúng tôi hy vọng rằng cuốn sách này là một trong của công trình đầu tiên có hệ thống nhằm cung cấp kiến thức về các khái niệm cơ bản đằng sau cơ học nano và vật liệu và các ứng dụng có liên quan Cuốn sách này có chứa cả hai được xuất bản và trước đây chưa được
Trang 8công bố vật chất, là nhằm vào các kỹ sư nano, thiết kế, vật liệu các nhà khoa học và sinh viên quan tâm và các nhà nghiên cứu
As engineers typically study the mechanical properties of materials, the corresponding
emphasis of research in the engineering community has been on nano mechanics
Theo kỹ sư thường nghiên cứu tính chất cơ học vật liệu, tương ứng
nhấn mạnh nghiên cứu trong cộng đồng kỹ thuật đã được về cơ học nano.
The term “nano mechanics” is typically associated with the study and characterization of the
mechanical behavior of individual atoms, atomic-scale systems and structures in response
to various types of forces and loading conditions
Cái Thuật ngữ "cơ khí nano" thường gắn liền với việc nghiên cứu và đặc tính của cơ khí, hành vi của các nguyên tử cá nhân, hệ thống quy mô nguyên tử và các cấu trúc phản ứng đến các loại khác nhau của các lực lượng và điều kiện tải.
The specific nature of nano mechanics research generally varies depending on the discipline of the engineer; the topic of interest can involve the atomic-scale effect of fracture and wear on material performance, mechanical properties of nanocomposites, atomic-scale flow and locomotion of
individual biological cells
Bản chất cụ thể của cơ học nano nghiên cứu thường khác nhau tùy thuộc vào kỷ luật của các kỹ sư; chủ đề quan tâm có thể liên quan đến hiệu ứng quy mô nguyên tử của gãy xương và đeo trên hiệu suất vật chất, cơ khí tài sản của nanocomposites, nguyên tử-dòng chảy quy mô và locomotion của cá nhân sinh học các tế bào
Regardless of the interest of the particular scientist or engineer, what is universally
agreed upon is the overall potential that nanotechnology, and particularly nano mechanics,
has for the betterment of our society, including the sectors of private industry, national
defense and homeland security
Bất kể sự quan tâm của các nhà khoa học cụ thể hoặc kỹ sư, những gì được phổ
thoả thuận là tiềm năng tổng thể mà công nghệ nano, và đặc biệt là nano, cơ khí,
đã cho betterment của xã hội của chúng ta, bao gồm các lĩnh vực của ngành công nghiệp tư nhân, quốc gia quốc phòng và an ninh quốc gia.
An emphasis on nanoscale entities will make our manufacturing
technologies and infrastructure more sustainable in terms of reduced energy usage
and environmental pollution
Trọng tâm là thực thể nano sẽ làm cho sản xuất của chúng tôi cơ sở hạ tầng công nghệ và bền vững hơn về cách sử dụng năng lượng giảm và ô nhiễm môi trường.
Recent advances made by the research community in this topic have stimulated ever-broader research activities in science and engineering that are devoted to their development and applications
Gần đây tiến bộ thực hiện bởi cộng đồng nghiên cứu trong này chủ đề có bao giờ kích thích các hoạt động nghiên cứu rộng hơn về khoa học và kỹ thuật được dành cho việc phát triển và ứng dụng của họ
Many areas of research are rapidly advancing owing to the combined efforts of science
and engineering In mechanics and materials, we are particularly excited with the progress
in research and education that can be achieved by combining engineering and basic sciences
through modeling and simulation together with experimentation
Nhiều người trong các lĩnh vực nghiên cứu được nhanh chóng tiến do những nỗ lực kết hợp của khoa học và kỹ thuật Trong cơ khí và vật liệu, chúng tôi đặc biệt vui mừng với sự tiến bộ của
trong nghiên cứu và giáo dục mà có thể đạt được bằng cách kết hợp kỹ thuật và khoa học cơ bản thông qua các mô hình và mô phỏng cùng với thử nghiệm
Owing to the combination of constantly increasing computational power and the increased knowledge
and understanding of material behavior, multiple scale modeling methods have recently emerged as the
tool of choice to link the mechanical behavior of materials from the smallest scale of atoms
to the largest scale of structures
Do sự kết hợp các quyền lực tính toán không ngừng tăng lên và những kiến thức và gia tăng sự hiểu biết hành vi vật chất, quy mô nhiều phương pháp làm mẫu mới đây đã nổi lên như là
công cụ của sự lựa chọn để liên kết các hành vi cơ học của các tài liệu từ quy mô nhỏ nhất của các nguyên tử với quy mô lớn nhất của cấu trúc.
Multiple scale methods offer the best hope for bridging the traditional gap that exists between
experimental approach, the theoretical approach and computational modeling for studying and
understanding the behavior of materials
Nhiều phương pháp quy mô cung cấp với hy vọng tốt nhất cho việc chuyển tiếp khoảng cách truyền thống mà tồn tại giữa các phương pháp thử nghiệm, phương pháp lý thuyết và lập mô hình tính toán cho việc học tập và sự hiểu biết hành vi của vật liệu
Owing to the central role that multiple scale methodology appears poised to play in
the computational mechanics and materials science in the foreseeable future, this book
Trang 9aims to summarize the past and the current developments in multiple scale modeling to provide a coherent starting point from which interested scientists and engineers can begin
their journey into this vast and rapidly expanding subject
Do vai trò trung tâm mà nhiều phương pháp quy mô xuất hiện sẵn sàng để chơi trong
các tính toán cơ học và khoa học vật liệu trong tương lai gần, cuốn sách này
nhằm tổng kết quá khứ và những phát triển về quy mô hiện nhiều mô hình để cung cấp một điểm bắt đầu mạch lạc mà từ đó các nhà khoa học quan tâm và kỹ sư có thể bắt đầu
hành trình của họ vào này rộng lớn và nhanh chóng mở rộng đối tượng.
We hope that this book is one of the first systematic works aimed at providing knowledge about fundamental concepts behind nanoscale mechanics and materials and the relevant applications Chúng tôi hy vọng rằng cuốn sách này là một trong của công trình đầu tiên có hệ thống nhằm cung cấp kiến thức về các khái niệm cơ bản đằng sau cơ học nano và vật liệu và các ứng dụng có liên quan The book contains both published and previously unpublished material and is aimed at nanoscale engineers, designers, materials scientists and interested students and researchers
Cuốn sách này có chứa cả hai được xuất bản và trước đây chưa được công bố vật chất, là nhằm vào các kỹ sư nano, thiết kế, vật liệu các nhà khoa học và sinh viên quan tâm và các nhà nghiên cứu.
A salient feature of this book is that it is also intended to be used as an educational
tool The major reason is to synthesize the state of the art in multiple scale modeling
techniques into the classroom such that the crucial tools being made available today are
passed onto the next generation of scientists and engineers
Một tính năng nổi bật của cuốn sách này là nó cũng dự định sẽ được sử dụng như là một giáo dục công cụ Lý do chính là tổng hợp các tiểu bang của nghệ thuật trong nhiều mô hình quy mô
kỹ thuật vào trong lớp học như vậy mà những công cụ quan trọng được làm sẵn có ngày hôm nay là được thông qua vào thế hệ tiếp theo của các nhà khoa học và kỹ sư.
Thus, the materials in this book which were previously used for courses at Northwestern University and the National Science Foundation (NSF) Summer Institute on Nano Mechanics and Materials have been coherentlycombined with Powerpoint lecture notes and selected computer codes (available online
at www.wiley.com/go/nanomechanics) to make the material presented readily accessible for
those researchers who are interested in joining and contributing to the field of multiple
scale modeling and analysis
Do đó, các tài liệu trong cuốn sách này mà trước đây được sử dụng cho các khóa học tại Đại học Northwestern và khoa học quốc gia Foundation (NSF) Mùa hè trên Nano Viện Cơ học và Vật liệu đã được mạch lạc kết hợp với các bài giảng Powerpoint và mã số máy tính lựa chọn (có sẵn trực tuyến tại www.wiley.com / go / nanomechanics) để làm cho tài liệu trình bày dễ dàng tiếp cận được cho
những nhà nghiên cứu những người quan tâm đến tham gia và đóng góp cho nhiều lĩnh vực
quy mô làm mẫu và phân tích.
Along with the review of basic theoretical concepts, they present the solutions and dynamic
visualization of numerous practical problems, ranging from simple one-dimensional systems to state-of-the-art applications
Cùng với việc xem xét các khái niệm cơ bản về lý thuyết, họ dua các giải pháp và hình dung năng động của các vấn đề thực tế rất nhiều, khác nhau, từ một hệ thống đơn giản, chiều với nhà nước-của-các ứng dụng hiện đại
The solutions of the simple illustrative problems are augmented by Matlab and Mathematica codes which serve to highlight the numerical implementation of the theoretical approaches presented in this book
Các giải pháp của vấn đề đơn giản minh họa được ghép bằng Matlab và Mathematica mã mà phục vụ
để làm nổi bật việc thực hiện bằng số của các phương pháp tiếp cận lý thuyết trình bày trong này sách. There are many other novel and unique aspects to this book As mentioned above,
the integration of teaching and research is one of the key features The material contains
detailed expositions on all the topics that are necessary to fully comprehend multiple scale
analysis As such, the book is logically divided into three parts
Có rất nhiều khía cạnh khác tiểu thuyết và duy nhất cho cuốn sách này Như đã đề cập ở trên,
hội nhập của giảng dạy và nghiên cứu là một trong những tính năng chính Vật liệu chứa
kiến triển lãm trên tất cả các chủ đề đó là cần thiết để thấu hiểu đầy đủ quy mô nhiều
phân tích Như vậy, cuốn sách là một cách logic chia thành ba phần.
The first part consists of Chapters 2–4, which cover the theoretical basis needed to understand the behavior of multiparticle atomistic systems
Phần thứ nhất bao gồm của chương 2-4, trong đó bao gồm cơ sở lý thuyết cần thiết để hiểu được hành vi của multiparticle hệ thống atomistic.
The second part consists of Chapters 5–8, and introduces multiple scale methods In particular, the bridging scale concurrent approach, which is based on the theoretical considerations provided in the first part of the book, is givenspecial attention here
Trang 10Phần thứ hai bao gồm chương 5-8, và giới thiệu nhiều phương pháp quy mô Đặc biệt, quy mô chuyển tiếp đồng thời tiếp cận, mà là Xem xét dựa trên lý thuyết được cung cấp trong phần đầu tiên của cuốn sách, được cho đặc biệt chú ý ở đây.
The third part comprising Chapters 9–10 is devoted to contemporary applications in the area of nanostructured and bioinspired materials, biofluidics and cell mechanics
Phần thứ ba bao gồm chương 9-10 được dành cho đương đại ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu cấu trúc nano và bioinspired, biofluidics và tế bào cơ khí.
Chapter 1 contains an introduction, and emphasizes the need for multiple scale simulations
by presenting case studies from different scientific disciplines, including materials
design and biofluidics
Chương 1 có một giới thiệu, và nhấn mạnh sự cần thiết cho mô phỏng nhiều quy mô
bởi trình nghiên cứu trường hợp từ ngành khoa học khác nhau, bao gồm cả nguyên vật liệu
thiết kế và biofluidics.
Chapter 2 introduces the notion of Lagrangian dynamics description of systems of interacting particles, including nonconservative equations of motion, multibody interatomic potentials and arbitrary
molecular shapes
Chương 2 giới thiệu khái niệm mô tả động lực học Lagrange của các hệ thống của các hạt tương tác, bao gồm các phương trình nonconservative về chuyển động, multibody interatomic tiềm năng và hình dạng phân tử tùy ý.
Chapter 3 details the extensionof the Lagrangian method to spatially periodic lattice structures; it reviews the relevant symmetry concepts, and derives the basic response solutions for a general three-dimensionallattice in semianalytical forms that are important in nanoscale engineering applications Chương 3 chi tiết mở rộng của phương pháp Lagrange để cấu trúc lưới không gian định kỳ, nó có liên quan xem xét đối xứng khái niệm, nguồn gốc và các giải pháp phản ứng cơ bản cho một tổng hợp ba chiều Lưới trong các hình thức semianalytical đó rất quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật nano. Chapter 4 gives a systematic, though condensed, exposition on contemporary approaches
that allow an averaged macroscopic characterization of multiparticle systems in thermodynamic equilibrium; these include the methods of thermodynamic potentials, statistical
averaging, microcanonical and canonical ensemble theories
Chương 4 cung cấp cho một, mặc dù có hệ thống ngưng tụ, trình bày về cách tiếp cận hiện đại
cho phép một đặc tính vĩ mô trung bình của các hệ thống multiparticle ở nhiệt
cân bằng; này bao gồm các phương pháp tiềm năng nhiệt, thống kê
trung bình, quần microcanonical lý thuyết và kinh điển.
Chapter 5 provides an overview of multiple scale modeling As such, previously developed
multiple scale methods are reviewed and analyzed, and capabilities that are needed in
multiple scale modeling are discussed and provided as a basis for the remaining chapters
Chương 5 cung cấp tổng quan của mô hình quy mô khác nhau Như vậy, trước đó phát triển
quy mô nhiều phương pháp được xem xét và phân tích, và khả năng cần thiết trong
nhiều mô hình quy mô được thảo luận và cung cấp như một cơ sở cho các chương còn lại
Chapter 6 introduces the bridging scale concurrent method, which couples atomistic and
continuum scale models; here, connections are made between the bridging scale, particle
dynamics and lattice mechanics concepts introduced in Chapters 2–3
Chương 6 giới thiệu phương pháp quy mô đồng thời chuyển tiếp, mà các cặp vợ chồng và atomistic liên tục quy mô các mô hình; ở đây, các kết nối được làm cầu nối giữa quy mô, hạt cơ khí động lực học
và lưới các khái niệm được giới thiệu trong chương 2-3.
Numerical validation of the bridging scale approach is given in Chapter 7 The numerical
examples in one, two and three dimensions highlight the applicability of the bridging scale
to highly nonlinear physical phenomena, including the fracture and subsequent failure of
materials The recent extension of the bridging scale to incorporate quantum mechanical
information into the coupling of length scales framework is also described in this chapter
Số xác nhận của các cách tiếp cận quy mô chuyển tiếp được đưa ra trong Chương 7 Các số
ví dụ trong một, hai và ba chiều không làm nổi bật phạm vi áp dụng của quy mô chuyển tiếp
đến cao phi tuyến hiện tượng vật lý, bao gồm gãy xương và sự thất bại tiếp theo của
vật liệu Việc mở rộng quy mô gần đây của các cầu nối để kết hợp cơ học lượng tử
thông tin vào các khớp nối của khuôn khổ quy mô chiều dài cũng được mô tả trong chương này. Chapter 8 provides an extension of the MD impedance force such that it can be utilized
with long-ranged interatomic potentials; this extension is crucial as most realistic interatomic
potentials incorporate non-nearest neighbor bonding This chapter concludes the section on
multiple scale modeling with comments on future research directions
Chương 8 cung cấp một phần mở rộng của lực lượng trở kháng MD như vậy mà nó có thể được sử dụng với tiềm năng phát triển dài ranged interatomic; mở rộng này là rất quan trọng như hầu hết các