复杂材料动态响应研究工程应用背景强, 但缺乏科学层面上的系统认识. 当前, 复杂材料动力学研究在物理建模、模拟方法与分析技术等方面均不成熟,是当前备受关注但又极具挑战性的课题! Science China Physics, Mechanics & Astronomy期刊2016年第5期发表了由许爱国、张广财、应阳君、王成四位教授合作撰写的题为“Complex fields in heterogeneous materialsunder shock: modeling, simulation and analysis”的综述论文, 介绍了他们课题组近十年来的研究进展.

图1  不同冲击强度情形下的动力学相似性体现了微介观结构演化过程中的能量转化与耗散行为的相似性.

作者的思路是: 从微观、介观到宏观, 复杂系统多尺度描述的主要途径是逐级的粗粒化建模; 各个尺度上的相似性参数、不变量以及慢变量是本构建模的自变量, 在粗粒化建模过程中须保证这些物理量的动力学行为不变. 在工作中着重寻找不同材料、不同冲击强度条件下, 不同时空尺度动力学行为之间的相似性、不变和慢变量; 这些信息和规律隐藏在系统内部的复杂结构和物理场中. 针对这些复杂结构和物理场分析给出一些新的方法和思路, 并形成了相关的软件.

根据作用强度与材料强度的相对强弱, 对所研究系统分别采用固体和流体建模. 流体建模主要基于离散Boltzmann方法, 它能够同时宏观流动行为与关系最密切的那部分热动非平衡效应; 后者对于从物理上把握非平衡过程以及宏观模型改进是有帮助的. 固体介观尺度模拟采用便于局域非均匀描述的物质点方法. 研究了孔洞等介观结构的演变规律及其与整体响应之间的关联. 将形态学描述引入冲击波物理, 用于描述系统内高温区域等特征结构的特征与演化, 使得许多以前无法提取的信息得以分层次研究、定量化描述, 进而发现了不同材料强度、不同冲击强度情形下的一系列动力学相似性. 这些相似性体现了微介观结构演化(例如孔洞塌缩、射流、涡流)过程中的能量转化与耗散行为的相似性. 针对固体中的微观临界行为(弹性-塑性转变、剪切变形-体积变形转变、相变), 采用分子动力学方法进行研究. 着重研究了相关微结构(位错、微孔洞、新相畴)的产生机理、演化规则及其对材料力学性能的影响. 作为研究基础, 为有效管理任何形状的空间物体和实现任意需求的快速查找, 处理复杂空间结构的甄别问题, 作者发展出一套针对空间物体统一管理和通用索引的快速方法,在此基础上给出一套团簇识别与追踪技术. 发现, 在外应力或能量作用下, 较低能量的微缺陷通过自组织形成更大尺寸的微结构.在小尺寸微结构形成大尺寸微结构的所有可能中, 系统选择使能量降低的情形.

 这些研究, 其研究风格有别于以前纯工程型和纯力学、纯物理型, 视角较新; 充分体现了统计物理学与凝聚态物理学的紧密结合、科学与工程的紧密结合以及前者对后者的贡献.

该项研究得到了计算物理重点实验室基金、中国国家自然科学基金(Nos. 11475028, 11325209)爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学)开放课题资(No.KFJJ14-1M)和理论物理国家重点实验室(中国科学院理论物理研究所)开放课题资助(No.Y4KF151CJ1)的资助.

更多详情请阅原文:

XUAiguo, ZHANG Guangcai, YING Yangjun, and WANG Cheng, Complex fields inheterogeneous materials under shock: modeling, simulation and analysis, Sci. China-Phys.Mech. Astron. 59, 650501 (2016), doi: 10.1007/s11433-016-5801-0

网页链接: http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/10.1007/s11433-016-5801-0

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