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近场动力学最新上线的文章快报:2020年5月(一)

已有 454 次阅读 2020-11-23 08:32 |系统分类:科研笔记

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2020年5月第一期近场动力学领域有七篇新文章上线。本期文献涉及面广,包括微缺陷或曲形预制裂纹对材料破坏的影响,多晶热致裂,水力压裂,金属蠕变破坏以及一种新型的单元基近场动力学模型。其中,用于水力压裂求解的新型直接数值解法和一种新型的单元基近场动力学方法值得关注。下面我们依次简要介绍:


文一:


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https://doi.org/10.1007/s42102-020-00032-z

不同类型小尺寸缺陷对脆性材料宏观裂纹扩展的影响

结构中存在的缺陷需要引起注意,并且需要理解脆性材料断裂的机制。孔洞、宏观和微观裂纹缺陷都是本文研究的主要内容。本文研究了混凝土结构中孔洞和微裂纹阵列使得混凝土增韧和退化的机制。本文利用一种常规态型近场动力学模型来分析微观层面的断裂问题。由于近场动力学模型能够准确预测缺陷对结构性能的影响,因此它在裂纹-孔洞、宏观和微观裂纹相互作用的问题应用中有着明显的优势。本文对结构中存在五种类型孔洞三点弯曲问题的研究表明,孔洞边界处存在裂纹扩展速度变慢的现象,而且孔洞处能吸引裂纹扩展。为了研究宏观和微观裂纹的相互作用问题,考虑了微观裂纹分布和倾角的各种情况,并通过分析研究进行了验证。采用近场动力学模型进行的拟静态模拟与解析解吻合较好。此外,近场动力学解也表明近场动力学捕捉复杂裂纹扩展路径的能力。本文研究得到:在主裂纹前存在的微裂纹和孔洞可以抑制主裂纹进一步扩展,并影响主裂纹扩展的方向。数值结果验证了近场动力学模拟多裂纹相互作用问题的高效性。

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图:算例的几何尺寸:(a) 在速度边界条件下含宏观裂纹的方板,(b) 含边缘宏观裂纹的板在施加边界条件下的空间离散。

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图:裂纹倾角分别为α=0°,45°,90°时,考虑恒定临界伸长情况a-d的多重宏观裂纹扩展的损伤图。




文二:

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https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107042

一种金属蠕变的常规态型近场动力学对应模型

蠕变是金属部件在长时间承受高温及较大荷载时主要的失效模式。准确预测蠕变损伤对金属部件的结构完整性有着重要的意义。目前模拟金属蠕变现象的方法是基于断裂力学或损伤力学与有限元法的结合。而用有限元法模拟裂纹扩展路径比较困难。为了减小模拟蠕变裂纹扩展路径的难度,本文提出了一种常规态型近场动力学对应模型,该模型采用Liu-Murakami损伤模型来模拟蠕变。得到了Liu-Murakami损伤模型的近场动力学方程。修改近场动力学影响函数,将Liu-Murakami模型中的经典蠕变损伤参数纳入近场动力学方程。为了验证本文所提出的方法的有效性,将本文所提出方法与有限元法的结果进行了比较。

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图:含初始裂纹的裂纹扩展试样的几何尺寸。

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图:拉伸条件下近场动力学计算的含裂纹板的σ_{yy}和σ_{xx}应力分布云图。

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图:Ⅰ型加载下蠕变导致的裂纹扩展,(a) 初始裂纹,(b) t=100时的裂纹,(c) t=300时的裂纹, (d) t=500时的裂纹。




文三:

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https://doi.org/10.1007/s10494-020-00145-x

一种用于水力压裂问题直接数值模拟的新方法

水力压裂是涉及水动力作用导致的固体介质破裂的非线性多物理场问题。同时涉及流体力学、固体力学以及断裂力学。尽管水力压裂在许多科学和工程领域具有重要意义,但其理论和数值描述仍然具有挑战性,现有模型的应用能力仍然有限。在此背景下,作者们利用多重直接浸入边界法,并基于纳维-斯托克斯方程和固体力学的近场动力学理论提出了一种直接对水力压裂问题数值模拟的新数值方法。该方法的主要优点在于近场动力学的可靠的裂纹检测和跟踪能力,以及浸入边界法管理复杂时变的界面上的无滑移和无穿透边界条件的能力。基于该模型编写了大规模并行求解程序。作者们对提出的方法论进行了详细的理论描述,并对新求解程序进行了大量的验证。提供了不同的基准测试以及定性的模拟结果,该模拟再现了层状非定常流动中固体结构的断裂。

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图:圆柱体与固体结构在层流通道的流动碰撞。计算区域和初始条件示意图。

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图:圆柱体与固体结构在层流通道的流动碰撞,左边提供了流体的主流速度云图u,右边显示了固体的整体应变场ε




文四:

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https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2020.102637

含单一非直裂隙的红砂岩单轴压缩作用下开裂行为的实验和近场动力学模拟

人们普遍认为,广泛存在的天然裂缝对岩石材料的强度、变形性能和破坏行为有很大的影响。研究含裂隙岩石材料的裂纹萌生、扩展和聚结行为,对保证岩石工程的可靠性和可预测性具有重要意义。然而,既有裂隙的类型和形式复杂多变;因此,很少对含有非直预制裂隙的岩石试样进行力学实验。本文通过一系列单轴压缩试验和数值模拟,系统地研究了含单一非直裂隙砂岩试样的强度、变形性能和破坏行为。首先,评估了裂隙角(α)对含单一非直裂隙的红砂岩强度和变形特性的影响。然后,利用常规态型近场动力学模型研究了不同α值下红砂岩试样的断裂行为。结果表明,当α=0°至15°以及75°至90°时,拉伸裂纹首先从预制裂隙的凸点处萌生,当α=30°至60°时,拉伸裂纹的萌生位置由凸点转移到预制裂纹的尖端。此外,对任意α=0°至90°,裂纹都是以拉伸裂纹的形式产生,并且最终以拉伸和剪切的混合模式失效。次生裂纹往往以剪切裂纹的形式出现。此外,当α>=75°时,在达到峰值强度之前很少由裂纹萌生;达到峰值强度后,裂纹萌生更加频繁,且观察到更多的声发射记数。

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图:红色砂岩样品的单个非直线裂纹的几何形态,α为裂纹角,L为裂纹起始和末尾的连接线长度。

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图:含单一非直线裂纹的红色砂岩试样在不同裂纹角度下(0°-90°)整个变形失效过程中的裂纹演化。

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图:含单一非直线裂纹的红色砂岩试样的裂纹演化过程:(a) 损伤图,(b) 应力应变曲线。




文五:

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https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2020.04.016

基于近场动力学的多晶材料热致断裂分析

多晶材料广泛用于工程领域。本文首次建立了用于研究由不同材料制成的立方多晶和陶瓷的热致断裂现象的近场动力学模型。验证了当前模型的正确性后,本文还分析了晶粒尺寸,晶界强度和材料组成对断裂行为的影响。考虑了竖直和水平两种不同形式的预制裂纹。晶粒尺寸对陶瓷材料的影响更为明显,在垂直和水平裂纹情况下都可以观察到裂纹分叉。晶界强度对裂纹行为有显著影响。对于较弱晶界可以观察到沿晶断裂模式,而对于较强晶界时则以穿晶断裂模式为主。当碳化硅比例较高时,由于两种不同材料的热膨胀系数不同,裂纹分叉更为明显。通过与文献中已有的参考结果进行比较,得到了类似的断裂特征。

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图:含100个晶粒和50%碳化硅在不同晶界系数(GBC)下横向预置裂纹的裂纹扩展,从上到下GBC的值分别为0.5,1,2。

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图:100个晶粒,GBC分别为0.5,1,2时横向预置裂纹情况下的晶体和材料成分的裂纹扩展。




文六:

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https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113098

一种新型近场动力学:单元基近场动力学

一般的近场动力学理论是用邻域内粒子的相互作用来建立的。粒子间的相互作用可以用弹簧、杆、梁等连接起来。本文提出了基于单元的近场动力学(EBPD),该方法中,邻域内粒子的相互作用由单元来表示,并且精确保留了连续介质力学中基本单元的概念。一维(1D)问题采用2节点杆单元,二维(2D)问题采用3节点三角单元,三维(3D)问题采用4节点四面体单元来描述EBPD的力密度。本文利用最小势能原理导出了EBPD方程,并详细介绍了EBPD的表面效应,边界条件,破坏准则和求解过程。通过1D奇异杆、2D固定裂纹近尖端解、2D平板裂纹扩展和3D立方体的算例验证了所提出的EBPD的有效性。将提出的EBPD模型用于弹性,并定义了新的非局部应力和应变表达式。此外,该方法不受泊松比的限制,不存在零能模式。并且,EBPD还具有研究非均匀离散化、变邻域、塑性、热力学和各向异性材料的潜力。还可以方便的与有限元耦合,减少计算量。

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图:块体的几何模型和边界条件,(a) 几何模型,(b) 边界条件。

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图:块体的位移场分布:(a) EBPD所得u_x结果,(b) ABAQUS所得u_x结果,(c) EBPD所得u_y结果,(d) ABAQUS所得u_y结果,(e) EBPD所得u_z结果,(f) ABAQUS所得u_z结果。




文七:

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http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10286-1020612441.htm

岩层压裂过程的近场动力学模拟

目前,面对常规能源的日益减少,对于非常规天然气的开发已经受到各个国家的高度重视。为了便于开采非常规天然气,需要对储气层进行压裂以便获得渗透性较大的裂纹网络,利于天然气的析出。因此,为了提高非常规天然气的开采效率,需要对储气岩层中裂纹的萌生和扩展进行研究。近场动力学(Peridynamics, PD)采用了非局部思想,对于物质的运动描述采用了空间积分的形式,对于求解裂纹扩展等非连续问题,具有天然的优势。

 

本文采用近场动力学方法对岩层压裂过程展开研究,建立了模拟岩石材料破坏过程的近场动力学模型,通过算例验证了PD模型能够.有效分析岩石材料在荷载作用下的裂纹扩展和分叉现象。分析了不同的材料参数以及荷载条件对裂纹扩展和分叉的影响,为模拟岩层的压裂过程奠定基础。提出了裂纹面的追踪方法,以岩层水力压裂为背景建立了模拟岩层压裂过程的PD模型。模拟了水平井横截面裸眼井以及套管井的压裂过程。对于水平井纵截面,研究了含单射孔、三射孔的岩层压裂过程,分析了射孔间距对岩层压裂过程裂纹扩展的影响,进一步模拟了含裂隙岩层的压裂过程。

 

通过研究表明采用PD理论建立岩石材料的破坏模型,可以高效分析材料的裂纹扩展及分叉现象。通过建立有效的岩层压裂模型,可以实现对岩层压裂过程中裂纹的扩展和追踪,厘清岩层压裂过程中裂纹的扩展机理,为岩层中非常规天然气的开采提供一定的分析工具。

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图:岩层水平井以及射孔示意图。

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图:水平井横截面裸眼井和套管井计算简图。

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图:含射孔套管井压裂过程的裂纹扩展结果。

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图:三射孔岩层压裂模型。

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图:三射孔水平井压裂过程模拟结果。



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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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