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【荐读】基于分子动力学的纳米压痕虚拟仿真教学设计

汉斯出版社

2021-09-23

导读：纳米压痕实验作为一种材料表面测试手段已经应用十分广泛。

基于分子动力学的纳米压痕虚拟仿真教学设计

The Design of the Nano-Indentation Virtual Simulation Based on Molecular Dynamics Algorithm

作者：

杨亮, 邓乔元, 战光辉, 林仕伟*：海南大学材料与工程学院，海南海口

关键词:

纳米压痕实验；虚拟仿真；物理算法；分子动力学；实验教学；Nano-Indentation Experiment；Virtual Simulation；Physical Algorithms；Molecular Dynamics；Experimental Teaching

项目基金：

海南省高等学校科学研究项目(Hnjg2019-25, Hnjg2020ZD-4)；海南大学教育教学改革研究项目 (hdjy2004, hdjy1911)。

原文链接：

https://doi.org/10.12677/AE.2021.115272

基于分子动力学的纳米压痕虚拟仿真教学设计

(节选)

随着材料科学的进步，材料科学研究尺度已经达到纳米级别，对材料物理化学性质的测试手段也已经发展到极高精度。目前，纳米压痕实验微观机理仿真方法主要有限元法和分子动力学方法，分子动力学法可以避免有限元方法的不足，成为微观尺度下研究结构演化过程的有力辅助工具，已经应用于多种结构材料分析，因此，利用分子动力学方法辅助纳米压痕虚拟仿真微观结构演化切实可行。

在汉斯出版社《教育进展》这本期刊中，有论文本文以Untiy3D实现纳米压痕仪器仿真，包括设备的结构、操作方法及软件界面等，以实现与真实实验无异的操作体验。利用分子动力学方法对测试材料的微结构演化进行仿真，以辅助真实实验难以显现的微观结构变化，并提供不同结构虚拟测试样品和不同形状尺寸的压头，获得准确的载荷–位移曲线，以期达到虚实结合提高实验教学质量。

遵循“科研反哺教学，教学促进科研”的虚拟教学实验设计原则，设计基于Unity3D的纳米压痕虚拟仪器操作实验和基于分子动力学的微观结构虚拟仿真实验，将纳米压痕实验引入本科实验教学，提高学生的动手能力、创新思维和实验与理论的融会贯通。

采用Unity3D构造纳米压痕虚拟仿真仪器部分，实现高交互仪器仿真，可实现仪器结构仿真、操作过程仿真和数据分析仿真，使学生更深入了解纳米压痕实验的测量方法和数据分析方法；采用分子动力学算法引入铜的EAM嵌入原子势函数进行FCC结构铜单晶的微观纳米压痕仿真实验部分，直观向学生展示了金属铜在压头作用下微观结构演化和位错的产生和发展，可更深入理解载荷–位移曲线的内涵，通过外推实验微观表面模型、实验测试条件和压头形状和尺寸，可丰富实验教学内容、提高教学质量，有利于培养学生的创新意识和探索精神。