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多尺度计算力学简介
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多尺度计算力学 所谓之多尺度力学系指从连续体到粒子动力等不同尺寸大小或时间长短的理论与计算领域，含盖之 范围仅局限于从巨观 (Macroscale) 、微观 (Microscale) 、介观 (Mesoscale) 到奈米层级 (Nanoscale) 力学，并不含括量子 (Quantum scale) 力学。其应用之对象可大到飞机系统或微系统组 件而小至新兴奈米组件。连续体计算系将物质视为连续分布于空间，因此根据质量守恒、动量守 恒、能量守恒方程式并加入必要的物理模式，如紊流、反应动力等，发展出固体力学、流体力学、 热传学及电磁学，再经由有限元素法、边界元素法、有限差分法等数值方法，发展出相当成熟的各 式软件，广泛使用于科学研究及工业产品开发。粒子动力计算将物质视为许多原子或较大的粒子相 互作用的多质点动力系统，因此基于牛顿力学、粒子与粒子间的作用力、数值积分法以及统计力 学，可仿真许多粒子之非线性运动行为并粹取其所呈现的物理性质。 基本上，许多连续体是由微、奈米层级之材料所组成，此一奈米材料特性终将影响其组成后之 连续体材料的块状行为 (Bulk behavior) 。因此为了能掌握此类材料之巨观特性，必须先能掌握微奈 米粒子本身之几何及材料行为。近来由于计算机技术之进步，无论是于容量及速度上皆有惊人的进 步，数值模拟为微奈米科技的研究为提供了一个非常有效率且有用且重要的方法。然而一个奈米粒 子之尺寸相当小，无法直接采用现有之量测设备及实验方法检测﹔又因其原子数目过大，以致于无 法直接使用现有计算机设备配合以第一定律为本之理论及计算方法来加以模拟；另一方面，于奈米 粒子的动力计算中，又因部份领域所考量的物理量其空间尺度 (Spatial scaling) 及时间尺度 (Temporal scaling) 相对较大，因此必需使用合适的跨尺度整合的计算方法。因此，如何藉由高速计 算平台的开发，分析此一微奈米级材料力学的特性，如何藉由对于微奈米级材料特性的操控及最佳 化设计，开发出一具特殊需求物理行为的材料，如何发展奈米结构力学之相关理论，进而应用汉弥 尔顿理论解析此一由奈米材料所组成之连续体的块状行为，如何建立一跨尺度整合的计算方法，即 成为目前奈米材料力学上研究上一重要且挑战的课题。 另一方面，导因各种物理量，譬如力、热、电磁，在奈米尺度上对材料之作用或影响相近，因 此奈米技术研究势必需要跨领域整合。除了奈米技术的研究上需要跨领域整合，一般工程系统，如 涡轮叶片、飞机机翼或微系统等，亦常同时牵涉到如气体动力、结构甚而热传或电、热及结构等多 领域物理性的作用，若需要要掌握此类系统的特性，便必须了解其在不同领域耦合下的反应。因此 整合目前既有的各个领域计算仿真软件，发展多尺度、甚至多领域耦合的计算理论及模拟技术，以 预测从连续体至奈米结构之力学行为即成为本系固力组研究发展之重要且追求之目标。 [ Last edited by kuhailangyu on 2008-12-9 at 16:45 ] |
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