Abstract In this work, we have developed a multiscale shear-transformation-zone (STZ) model to simulate inelastic deformations in amorphous materials at macroscale without using phenomenological constitutive modeling. The main novelties of the multiscale method are two: (1) the multiscale method employs an atomistic-based representative sampling cell (RS-cell) that is embedded in every quadrature points of macroscale finite elements, and it generically contains potential shear-transformation-zones. Thus the evolution of RS-cells can naturally allow molecular clusters having irreversible microstructure rearrangements at microscale in response to applied loads, and subsequently translate the effects of the irreversible rearrangements of molecular clusters in each RS-cell to inelastic responses at the continuum scale, i.e. delineating the defect-mediated amorphous plasticity, and (2) the method uses a Parrinello-Rahman molecular mechanics based the Cauchy-Born rule to construct an atomistically-informed constitutive model at continuum level, which is able to quantitatively measure amorphous plasticity behaviors, including plastic flow stress, inelastic hysteresis loops under cyclic loading, and strain localizations at macroscale. By doing so, we have successfully simulated plastic deformation in the Lennard-Jones binary glass (LJBG) at macroscale level. Moreover, we have shown that the multiscale shear-transformation-zone can capture cyclic plasticity and the shear band formations in LJBG material.

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非晶态固体中的多尺度剪切转变区 (STZ) 模型和塑性模拟

摘要 在这项工作中，我们开发了一种多尺度剪切变换区 (STZ) 模型，用于在宏观尺度上模拟非晶材料的非弹性变形，而无需使用现象学本构建模。多尺度方法的主要新颖之处有两个：（1）多尺度方法采用基于原子的代表性采样单元（RS-cell），嵌入在宏观有限元的每个正交点中，它通常包含潜在的剪切变换 -区。因此，RS 细胞的进化可以自然地允许分子簇在微观尺度上具有不可逆的微观结构重排以响应施加的载荷，并随后将每个 RS 细胞中分子簇的不可逆重排的影响转化为连续尺度上的非弹性响应，即 描绘缺陷介导的无定形塑性，以及 (2) 该方法使用基于柯西-伯恩规则的 Parrinello-Rahman 分子力学在连续介质水平上构建原子信息本构模型，该模型能够定量测量无定形塑性行为，包括塑性流动应力、循环载荷下的非弹性滞后回线和宏观应变局部化。通过这样做，我们成功地模拟了 Lennard-Jones 二元玻璃 (LJBG) 在宏观层面的塑性变形。此外，我们已经证明多尺度剪切转变区可以捕获 LJBG 材料中的循环塑性和剪切带形成。(2) 该方法使用基于柯西-伯恩规则的 Parrinello-Rahman 分子力学，在连续介质水平上构建了一个原子性的本构模型，该模型能够定量测量非晶态塑性行为，包括塑性流动应力、非弹性滞后回线循环载荷和宏观应变局部化。通过这样做，我们已经成功地在宏观层面模拟了 Lennard-Jones 二元玻璃 (LJBG) 的塑性变形。此外，我们已经证明多尺度剪切转变区可以捕获 LJBG 材料中的循环塑性和剪切带形成。(2) 该方法使用基于柯西-伯恩规则的 Parrinello-Rahman 分子力学，在连续介质水平上构建了一个原子性的本构模型，该模型能够定量测量非晶态塑性行为，包括塑性流动应力、非弹性滞后回线循环载荷和宏观应变局部化。通过这样做，我们已经成功地在宏观层面模拟了 Lennard-Jones 二元玻璃 (LJBG) 的塑性变形。此外，我们已经证明多尺度剪切转变区可以捕获 LJBG 材料中的循环塑性和剪切带形成。通过这样做，我们已经成功地在宏观层面模拟了 Lennard-Jones 二元玻璃 (LJBG) 的塑性变形。此外，我们已经证明多尺度剪切转变区可以捕获 LJBG 材料中的循环塑性和剪切带形成。通过这样做，我们已经成功地在宏观层面模拟了 Lennard-Jones 二元玻璃 (LJBG) 的塑性变形。此外，我们已经证明多尺度剪切转变区可以捕获 LJBG 材料中的循环塑性和剪切带形成。