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近场动力学最新上线的文章快报:2017年5月上(多图)

已有 1599 次阅读 2017-8-1 01:13 |系统分类:科研笔记| 近场动力学, 最新文章

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2017年5月上期有六篇新文章上线(数据来源于谷歌学术,其中仅包括英文和中文的全文文献)。下面我按照上线的先后顺序依次简要介绍:


文一:


https://doi.org/10.1007/978-3-319-57864-4_28
具有非均质和不连续特性的复杂材料是目前材料科学与工程的研究重点,因为这样的材料可能会在强度和抗疲劳方面达到优异的性能。预测复杂材料的损伤和断裂是极其困难的,因为它涉及在不同尺度上进行高度耦合的非线性过程的建模工作。面对这样的挑战,许多研究者在耦合分子动力学和有限单元的框架下应用某种方法以捕捉发生在不同时间和长度尺度上的损伤过程。不幸的是,这种耦合模式会遇到缺失分子动力学和有限单元模型间热动力一致性的问题,并且导致在分子动力学模拟区域和有限单元模拟区域的边界上常常发生病态的波反射。本研究工作通过引入一个混合分层模型(Hybrid Hierarchical Model,HHM)以尽力规避那些问题。该混合分层模型包含一个具有从头算基的力场(an initio based force field)和一个近场动力学连续微尺度模块。本文将此HHM框架被应用于一个带预裂纹的碳化硅片的断裂建模和一个涡轮叶片的高循环疲劳损伤分析。



碳化硅片在两种不同外力下的裂纹图,坐标轴x,y和z分别代表碳化硅晶体[100]的方向,(a) 和 (b) 的外力条件分别是8×10^14达因和4×10^14达因,达因是力单位,1达因=10^(-5)牛顿,通常用作表面张力的单位。


文二


https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2017.03.019
本文提出了一个数值方法以控制常常出现在一个非常规态基近场动力学模拟中的虚假变形模式(零能模式)。本文所提出的方法引入了变形梯度张量的高阶近似以消除来自于零能模式产生的振荡。作者们将本文所得结果与其他方法所得结果进行了比较。比较结果充分展现出本文的方法能够给出高效的解决方案用以控制近场动力学模型中的零能模式。与其他可用的零能控制方法不同,对于相对较大的近场动力学作用范围尺寸,本文所提出的方法依然适用。本方法属于近场动力学的隐格式加权函数。


离散粒子的六边型排布模式,以及不同的近场作用范围和离散粒子间距的比值



离散粒子六边形排布模式下,不同近场作用范围尺寸得到带方形孔的板的水平方向位移云图。左栏是没有做零能模式控制,可以看到水平位移有振荡;右栏是本文所提出的高阶修正方法所得位移结果,没有振荡发生。


文三:


https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2017.04.037
冰接触载荷给螺旋桨的安全操控造成了威胁。本文利用数值方法研究了螺旋桨和冰的接触过程以及动态载荷情况,所使用的方法包括基于近场动力学理论的数值方法和接触检测方法。考虑到冰和螺旋桨的力学性能差异大,本文把螺旋桨考虑做刚体,而冰被认为是弹脆性的。为了处理螺旋桨的复杂表面,本文发展了连续接触检测算法用以检测螺旋桨和冰颗粒之间的接触面积,并模拟了由螺旋桨和冰的接触所造成的冰的脆性失效行。本文还研究了瞬时极大接触载荷。从结果来看,本文所提出的方法很好地捕捉到了冰的失效特征,例如动态裂纹和冰碎块儿的生成。所计算出的接触载荷也是可靠的。




螺旋桨全部叶片与冰接触的动态铣削过程的局部损伤云图。(a)41.76毫秒,(b)83.52毫秒,(c)125.28毫秒,(d)167.04毫秒,(e)208.80毫秒,(f)250.56毫秒,(g)292.32毫秒,(h)334.08毫秒


文四:


https://doi.org/10.1016/j.cma.2017.04.016
近场动力学作为用于数值研究断裂演变、扩展和行为的理论基础被广泛的研究。这个理论已经被显示在理论极限上收敛于连续力学,而作为一种经典问题的离散数值近似它的行为还没有被研究过。在本研究工作中,作者们使用标准的分析解充分测试了近场动力学的空间离散的数值精度和收敛率。作者们分析了三种不同的近场动力学本构响应的精度和收敛率:其中的两种包含了态基的膨胀项,第三种是基于变形梯度的估计。另外,作者们还研究了每种本构响应中近场动力学影响函数的选择问题。本文所考虑的近场动力学材料是满足线弹性机制的,即本文求解的是一个线性方程系统。该线性方程组是通过符号化地推导力态获得的。通过与单轴压缩、各向同性压缩和简单剪切的标准常应变解对比,作者们测试了本文所提出的方法。作者们还将该方法应用于带有受压细裂纹的有限区域内材料行为的模拟,并与获得自Westergaard解方法所得的解析位移解进行比较。通过以上比较发现,两种膨胀基的近场动力学本构响应仅收敛于常应变解中的一种情况,而变形梯度基法则只要选取合适的影响函数将收敛于所有的情况。作者们还发现对所有的方法三次方的影响函数都是最好的选择。只有变形梯度基模型收敛于所有的三种线性变形问题,但是对于细裂纹问题由于变形梯度基模型自身的不稳定性使得它比膨胀基模型所得结果的精度要低。为此,作者们还展示了一种基于影响函数的特殊光滑技术,这种技术能够缓解不稳定性并提高变形梯度模型的精度。


上图中的实线代表裂纹,当近场作用范围尺寸增大时(RF=delta/h),变形梯度基模型在裂纹附近所得的位移场结果出现不稳定的情况,这种情况可以通过特殊的光滑技术得以避免,具体参见原文。


文五:


https://doi.org/10.1016/j.ultras.2017.04.015
本文旨在介绍一种新颖的快速建模工具称为近场超声(peri-ultrasound),它被用于线性和非线性超声波传播的建模工作。这种建模方法是基于近场动力学理论的。当裂缝的两个表面发生接触的时候,这种建模方法不需要监控裂缝的开合现象或者人为地修改单元的刚度。近场超声工具能使作者们检测在裂缝生长的较早阶段材料的非线性性。本文所提出的近场超声工具能够用于建立非线性超声行为的模型。作者们还研究了细裂缝和粗裂缝的存在是如何影响材料的非线性性的。从规范化谱图中,作者们通过提取所谓的边带峰值数(Sideband Peak Count, SPC)的特征测得材料的非线性度。从中可以看出,包含细裂缝的结构显示出非线性行为明显地增加。


带有粗裂缝(左图)和细裂缝(右图)的研究区域



方形结构上不同时刻波的运动:(左栏)无缺陷结构,(中栏)带细裂缝结构,(右栏)带粗裂缝结构。从上至下每横行的时刻分别是:15.56微秒,27.23微秒,38.9微秒和50.57微秒。


文六:


https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2017.05.001
作者们提出了一种对偶作用范围尺寸的近场动力学模型(Dual-horizon Peridynamics, DH-PD)用于颗粒和岩石类材料的断裂模拟。与离散裂纹方法不同,例如扩展有限元方法(XFEM),DH-PD不需要表征任何的裂纹面,也不需要任何的准则来处理复杂断裂模式,例如裂纹分叉和合并。在模拟过程中,裂纹过程自然产生。本文提出了一种新的罚方法用于建立压缩断裂的接触模型以及建立惩罚条件约束。本文所提出的新方法被应用于一些地质力学中的标准问题,包括四点剪切测试,带一个或多个初始裂纹的巴西圆盘间接拉伸测试。通过使用合适的阻尼系数和动态公式,岩石失效的拟静态解被获得。通过比较发现,DH-PD的模拟结果与实验结果一致。


巴西圆盘劈裂试验示意图



(左图)巴西圆盘上端和下端接触点上力与位移的曲线,(右图)最终裂纹模拟结果

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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.


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