离散位错动力学耦合仿真的有限元方法

本文提出一种用于模拟离子位错与裂纹相互作用动力学过程的有限元方法。该方法数值求解连续体-原子耦合（Concurrent Atomistic-Continuum, CAC）线性动量守恒方程。晶体材料在单元层级采用6节点棱柱单元离散化，其几何结构允许位错与裂纹沿单元面发生 nucleate 与传播。对单晶 Cu、Fe、Si 的纳米尺度仿真显示位错与裂纹的起始与传播过程，这些结果与完全原子分子动力学仿真结果高度吻合。对单晶 Cu 的中尺度仿真进一步表明该方法能够捕捉尺度相关的脆性与塑性行为。在平面应变条件下，Cu 模型表现出脆性断裂；而完全三维模型中，曲面且交叉的位错会钝化裂纹尖端，阻止裂纹传播，导致塑性行为。讨论了该方法的精度、效率与适用性。