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近场动力学领域最新上线的文章快报:2016年11月(多图)

已有 2224 次阅读 2016-12-2 10:50 |系统分类:科研笔记| 近场动力学

每期文章评述的首发平台是微信公众号:近场动力学PD讨论班。您也可以搜索微信号:peridynamics。或者在本文的末尾有公众号的二维码,欢迎您扫描加入。

11月有六篇最新文章和一本专著上线(数据来源于谷歌学术)。下面我按照上线时间先后依次简要介绍:

文一:

http://dx.doi.org/10.1016/j.ijnaoe.2016.10.003

影响着北极圈工程的主要因素是海冰。然而,推导自经典连续力学的传统数值方法在解决像冰损伤这样的不连续问题时比较困难。本文研究了基于积分形式的非局部且不需要网格剖分的数值模型,称为“近场动力学”模型。它被应用于模拟平整冰和刚性垂直柱在不同速度下的相互作用(见下图)。在模拟中,我们应用态基的近场动力学模型来模拟淡水冰,这种冰被简化为弹脆性材料并且具有线弹性本构和材料失效的临界等价应变准则。近场动力学模型模拟所得的冰力值是和实验数据具有相同的阶数。可视化的数值结果显示出了应用近场动力学模型研究冰损伤的优势。为了研究冰力的振荡特性,我们计算了冰在破碎失效过程中的损伤区长度并发现损伤区的长度是冰厚度的0.15到0.2倍。



文二

http://www.imsar.ro/RJTS-AM_2016_1/RJTS-AM_2016_61_1_a2_Zhang_Bobaru.pdf


如上图所示,洞和圆形孔可以捕捉到(改变)疲劳裂纹的扩展。研究一个裂纹进入这样一个洞后的演变情况是非常有必要的。本文正是应用最近提出的一个疲劳裂纹PD模型来处理这种情况。并且,本文也改进了原有的模型,即在裂纹扩展阶段中引入了疲劳极限(应力强度阀值)。作者们给出了一个算例,它显示出这个模型模拟疲劳失效的三个阶段:初始,扩展和最终失效。详细地讲,先是疲劳裂纹进入了孔洞,然后从孔洞的不同位置重新开始开裂,接着扩展并最终导致结构失效。本文的改进模型预测的疲劳裂纹路径一致于用应变集中得到的分析结果。收敛性研究显示,只要非局部尺寸(近场范围尺寸)比相关的几何特征(应该是指孔洞)的尺寸小,那么本文的近场动力学结果就是正确的。作者们也讨论了通过对原计算程序的一点小改动(即增加OpenMP和OpenACC代码),从而调用GPU加速求解的效率问题。


文三:


http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0165947

本文应用近场动力学建模并模拟了磷脂双分子层膜的自然断裂形成过程。通过在摊开的双分子层上的实验研究,观察结果展示出两种具有代表性且独特的破裂样式,即花朵状的和碎裂状的(见下图)。双分子层生长在高能量基底上。在双分子层形成的后期,双分子层中的上层(distal bilayer)自发地形成这两种破裂中的一种。然而,现在还不清楚是什么因素控制着哪一种破坏模式发生。我们猜测两层分子膜之间的距离变化和膜之间的内联结(“钉死的部位”)与这个形成过程有关。我们的模拟结果也显示“钉住”的区域成为了裂纹的成核区。这些被“钉住”区域的形成很可能是由Ca^2+离子作为桥梁连接了上(distal)和下(proximal)分子层。更进一步,假设被“钉住“的部位引起了非零剪切模量,我们的模拟也显示出他们将导致破裂模式从花朵状转变为碎裂状。在零剪切模量时,膜上的小孔以圆形呈现,随后演化为花形孔。当增加剪切模量,孔的边缘开始分叉且更倾向于形成碎裂的形态。最后,我们可以做如下结论:由于被”钉住“的部位在上层分子膜中产生了剪切应力,可能间接地决定了断裂的形态。


上图显示花朵状裂纹演变过程,下图显示碎裂状裂纹演变过程。



文四:


http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.11.003

本文发展了一个新的耦合无网格方法。该方法被用于求解包含了动态裂纹扩展的二维瞬态弹性动力学问题。这个方法建立了有限点法(FPM)和近场动力学的离散形式之间的一个有效耦合,其解的区域被分割成三部分:一个是近场动力学的离散化区,一个是有限点法的区域,还有一个是两种离散模型的过渡区(参见下图)。在这个过渡区内,我们执行了两种方法的相互转换。这个耦合方法采用了局部/非局部框架,它吸收了这两种模型的所有优点。举例来说,裂纹存在或有可能扩展到的区域采用了近场动力学模型。而其余大部分区域用有限点法描述,从而(即模拟了不连续问题又极大)节省了计算量。最后,本文用包括动态断裂和鬼力测试在内的动态问题的解展示出了所提出方法的性能。


上图中白色区是FPM区,灰色区是PD区,黄色区s是过渡区,左图是初始裂纹状态,右图是裂纹扩展后状态示意图。


文五:


http://dx.doi.org/10.1016/j.engfracmech.2016.11.004

本文提出了一个有效的无网格模型并将该模型用于带裂纹的纤维增强混凝土结构的断裂分析。我们利用微极近场动力学(PD)模型对胶结材料进行建模。微极PD模型是键基PD模型的广义化形式。一个半离散方法被包含在微极PD框架内用以研究纤维增强项对于胶结材料中裂纹的断裂分析(参见下图)。(注:半离散方法是相对于全离散方法而言。全离散模型中,纤维被用束或梁单元表示,并与混凝土单元相耦合。因此,它是一种精确建模。然而,面对数以万计的纤维分布于单胞模型中这样复杂的微结构,计算量太大。于是,一个半离散模型被发展,在这种模型中,没有明确的纤维几何形体,仅仅考虑到纤维和基体间的相互作用力,并把这个作用力附加在胶结材料中。所以,半离散模型提供了一个在计算能力可承受的范围内使用的方法,用以研究纤维的分布和方向对材料的影响。)因此,在本文所提出的纤维增强混凝土建模方法中,宏观尺度的纤维被随机分布在胶结材料中,而且纤维上的力被间接应用于胶结材料点上。这种断裂分析方法改进了纤维胶结复合材料的计算效率。更进一步,不同于有限单元法,本文提出的PD框架无需网格加密和追踪裂纹的初始和扩展过程。裂纹的扩展是所提出的分析框架的一个自然的结果。针对一个纤维增强混凝土的梁模型,并沿梁的跨度方向在不同的位置打口,本文对比了梁的三点弯曲测试的模拟结果和已有的实验结果,比较结果显示了所提出的断裂分析模型的精确性。


上图显示了将半离散的纤维建模方法应用于所提出的PD框架中,其中沿纤维长度方向,纤维上的力被分散在胶结材料点上。


文六:



http://strathprints.strath.ac.uk/58573/

本文是对近场动力学方法的一个简要介绍。介绍了近场动力学是一个新颖的材料和结构的建模方法。因为本文仅仅是个简介,所以就不在此赘述。顺便聊两句本文两位作者的情况。两位作者Erkan Oterkus和Selda Oterkus是一对夫妻。Erkan Oterkus博士于2010年毕业于美国亚利桑那大学,师从Erdogan Mandenci教授 。之后,他妻子Selda Oterkus博士也入读亚利桑那大学,且师从同一位教授,并于2015年取得博士学位。现在二人都在英国格拉斯哥的斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)任教。Erkan Oterkus现在已经是副教授了,他在2011年到我们的课题组来访问过,曾经和他面谈过一次。2014年在西班牙开会时又见过一面。感觉人还不错,看他现在的研究组(起名叫PMMA),学生也挺多,搞得红红火火的样子。夫妇二人都是做近场动力学研究的,他们两人的博士论文都可以在网上下载到,我把网址贴在下面。2014年的时候,Erkan Oterkus和Erdogan Mandenci教授在他们的博士论文的基础上出了一本书《Peridynamic Theory and Its Applications》。感兴趣的小伙伴们可以找来看一看。


两人的博士论文题目及下载地址:

Erkan Oterkus 博士

论文题目《Peridynamic Theory for Modeling Three-Dimensional Damage Growth in Metallic and Composite Structures》

下载地址:http://hdl.handle.net/10150/145366

Selda Oterkus 博士

论文题目:《Peridynamics for the Solution of Multiphysics Probloms》

下载地址:http://hdl.handle.net/10150/555945


专著:


这本专著汇集了近场动力学领域最新、最全的研究成果。在之前的《新书快报》中我们已经介绍过。目前,在Google Book中可以看到本书的大部分内容。地址如下:

https://books.google.com.sa/books?id=2QKLDQAAQBAJ&pg=PT15&lpg=PT15&dq=Handbook+of+peridynamics&source=bl&ots=FHZ1lM39Cn&sig=7pyuooHqYmRb2MVWxgA70W6Y2X8&hl=en&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=Handbook%20of%20peridynamics&f=false

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近场动力学(简称PD)理论是国际上刚兴起的基于非局部作用思想建立的一整套力学理论体系,该理论通过求解空间积分方程描述物质力学行为,避免了基于连续性假设建模和求解空间微分方程的传统宏观方法在面临不连续问题时的奇异性[1],所以特别适用于模拟材料的损伤和断裂过程。然而,因为PD模型的数学理论较深,且新概念多用英文表述,所以很多朋友在学习时会遇到一些困难。在朋友的启发下,我想到在微信上建立此公众号,希望将研究PD理论的朋友们聚集起来,分享PD研习路上的点点滴滴,一起解决各自的难题,共同推动PD理论的发展!

[1] 黄 丹, 章 青,  乔丕忠, 沈 峰, 近场动力学方法及其应用. 力学进展, 2010. 40(4): p. 448-459.


每期文章评述的首发平台是微信公众号:近场动力学PD讨论班
也可以搜索微信号:peridynamics

或扫如下二维码加入公众号:




http://blog.sciencenet.cn/blog-232936-1018208.html

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