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近动力学最新上线的文章快报:2018年6月(下) 精选

已有 2424 次阅读 2019-1-29 09:23 |系统分类:科研笔记| 近场动力学

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2018年6月下期近场动力学相关领域有五篇新文章上线,篇篇精彩!就其发表的期刊来看,有IJSS,IJMS,CMAME,IJHMT和Composite Structures,都是领域内的知名期刊。从最近两期的《新文快报》来看,近场动力学领域的新文章发表的期刊都相当好。我个人感觉,一方面说明近场动力学的研究工作在逐步深入,研究成果越来越扎实;另一方面也说明随着近场动力学理论和模型在工程领域的推广,专业研究人员也在逐渐接纳这种新理论。因此,研究近场动力学理论将是非常有前景的方向!下面我将按照文章上线的先后顺序依次简要介绍:


文一:


https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2018.06.015
非常规态型近场动力学是一种很有前景的连续介质力学理论,它将非局部动力学与传统材料模型结合在一起。在这个理论中,可以根据相应原理利用位移场来计算变形梯度。然而,相应模型容易出现零能模式。本文假设在一点的近场动力学作用范围内仅有最近邻离散(相互作用),通过使用应力点以解决零能模式。本文给每个粒子的影响域都指定一个应力点,在此应力点上计算场变量的导数。该方法的可行性首先在一个简单的一维问题中得到了证明,并与解析解和其他控制方法进行了比较。本文将二维和三维实例与有限元方法进行了比较。在所有算例中,零能模式都被完全消除。作者们最后还分析了基于显式应力点的近场动力学模型的计算效率。


图:基于(左)不控制零能模式和(右)新的应力点方法的近场动力学模型所得z方向位移云图:(a)和(b)是3维云图;(c)和(d)是底面二维云图。


文二


https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.06.020
数值执行近场动力学模型的标准方式之一是采用均匀离散化的无网格法。但当问题的局部区域需要非常密的网格离散时,这种均匀布点的方法显得很低效。因此,本文提出了一种不同间距网格的新策略。该方法不存在静态问题下的鬼力,而动态问题中的虚波可以通过适当的离散化来控制和忽略。在不同网格间的界面处,本文所提出的非均匀离散不会造成体积损失。本文提出了一种有效的自适应加密算法,它只在关键区域提高解的精度。借助此方法,作者们还研究了裂纹在脆性材料中扩展的动力学问题。作者们将所提出方法的计算结果与采用均匀离散化的标准近场动力学模型所求解的结果进行了比较。结果表明,用更小的计算代价获得了同样的精度。


图:三个瞬时时刻(右)均匀布点和(左)局部加密网格离散所得垂直方向速度云图。


文三:


https://doi.org/10.1016/j.cma.2018.06.008
本文提出并分析了一个并发式耦合近场动力学和对应经典弹性理论的框架,并将其应用于损伤问题的数值模拟。在此框架下,近场动力学模型和弹性模型被独立求解,两模型之间通过单位分割的方式进行耦合。在预期材料失效的区域,作者们采用了近场动力学理论。在问题的其余部分,材料由经典弹性理论建模。在近场动力学-经典理论的界面,存在两个子域重叠的过渡区域。这两个求解器通过在近场动力学-经典理论界面上交换适当的边界条件进行通信,从而实现软件模块化。作者们分析了一维简化问题的不同耦合策略,得到了最优折减系数(收敛率指数)的表达式。通过数值实验验证了最优耦合参数的选择,证明了一维简化问题分析中的最优罗宾(Robin)系数可以外推到更复杂的问题上,包括有损伤的情况。解析解和数值解表明,经典理论的最优罗宾(Robin)边界条件结合近场动力学的具有Aitken松弛准则的狄利克雷边界(Dirichlet)条件是最具鲁棒性的选择。与常用的狄利克雷边界条件相比,最优罗宾边界条件与Aitken松弛准则使耦合收敛速度提高了10倍。利用所提出的最优耦合策略,本文借助耦合框架对局部解的渐近收敛性以及在二维问题中获取裂纹萌生和扩展的能力进行了数值模拟。通过提出的最优耦合策略,作者们还使用数值方法展示了耦合框架对局部解的渐近收敛性及其捕获二维问题中裂纹萌生和扩展的能力。


图:非线性分析解的位移云图(左)最终变形图,其中颜色表示x方向位移场云图;(右)最终变形图,其中颜色表示y方向位移场云图。注释:中心网格为近场动力学模型,外围为经典弹性模型,中间界面是耦合区。


文四:


https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.075
本文提出了一种基于构造方法的瞬态平流扩散近场动力学模型。作者们通过与一维和二维的经典模型比较验证了所提出的模型,发现在近场动力学的影响域半径趋于零的极限情况下,近场动力学解收敛于经典解。作者们还发现,一种包含逆风模式和中心模式的混合模型在平流占主导的情况下表现更好。本文分别计算了两种不同条件下具有非均质区域的样本问题,并比较了那些依赖微观结构和材料属性的解。值得注意的是,本模型在求解复杂且非均质的问题时不需要额外的处理。


图:非均质材料中的流动问题示意图及边界条件。


图:t=6秒时刻,不透水随机椭球夹杂的集中程度分布。


文五:


https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.06.110
不连续碳纤维增强热塑性材料(DCFRTP)是一种很有前景的复合材料。在预测随机方向加固的DCFRTP的力学性能时,由于宏观数值模型中没有充分表征影响力学性能的微观结构参数,采用均匀模型的数值方法是有局限性的。本文在近场动力学理论的基础上,提出了一种利用非均质粒子模型进行DCFRTP的力学分析的新方法。本文用数值方法研究了超薄短切纤维板增强热塑性材料(UT-CTT)的拉伸性能。作者们讨论了近场动力学影响域半径的大小与UT-CTT的特征尺寸之间的关系,分析了模型尺寸对拉伸性能分散性的影响,研究了界面性质对裂纹扩展的影响。近场动力学模拟结果与实验结果的比较表明两者具有较好的一致性。


图:近场动力学模型模拟的裂纹形貌。强界面近场动力学模型模拟结果:(a)底面视图和(b)侧面视图;弱界面近场动力学模型模拟结果:(c)底面视图和(d)侧面视图。


图:一个实验试样的裂纹形貌照片。


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近场动力学(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,用空间积分方程代替偏微分方程用以描述物质的受力情况,从而避免了传统连续力学中的微分计算在遇到不连续问题时的奇异性,所以特别适用于模拟材料自发地断裂过程。然而,因为近场动力学的数学理论内容丰富且与传统理论差别较大,目前的相关文献又以英文表述为主,所以很多朋友在一开始学习时会遇到一些困难。因此,我于2016年9月建立了此微信公众号(近场动力学讨论班),希望通过自己的学习加上文献翻译和整理,降低新手学习近场动力学理论的入门门槛,分享国际上近场动力学的研究进展,从而聚集对近场动力学理论感兴趣的华人朋友,为推动近场动力学理论的发展做一点儿贡献!





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1 刘浔江

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