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近场动力学最新上线的文章快报:2017年9月(下)

已有 2658 次阅读 2018-4-8 20:05 |系统分类:科研笔记| 近场动力学

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2017年9月下期有六篇新文章上线。下面我按照上线的先后顺序依次简要介绍:


文一:

文一封面-201709下.jpg

https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2017.08.008
作者们发展了一个针对陶瓷材料脆性断裂或者一般的拟脆性材料断裂的非常规态型近场动力学模型。该模型首先通过了三种数值标准算例验证,之后被应用于模拟边缘冲击和落球冲击的实验测试。作者们在有限变形假设下将修正的Johnson Holmquist (JH-2) 本构损伤模型引入到近场动力学框架下。并且,作者们还研究了射弹和靶之间的接触算法。数值结果显示出与实验观察符合的很好。实验和数值结果的比较相符,说明所提出的近场动力学模型有能力捕捉脆性断裂过程的损伤演变等特点。

文一插图-201709下.jpg

按时间发展顺序,损伤形成和扩展的过程,不同颜色显示不同的损伤情况,红色损伤最严重。




文二

文二封面-201709下.jpg

https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.08.028
当施加增加的外部载荷,拟脆性固体通常出现裂纹成核与扩展,并导致最终的材料失效。在力学和工程科学中,断裂过程的数值建模与模拟是一个特别重要的问题。这篇文章旨在应用非结构化的有限单元执行近场动力学模型以模拟裂纹扩展。对于像应变和应力这样的物理场的后处理,本文发展了相关的可视化技术。作者们还执行了多个用于验证和应用的数值算例。首先,作者们考虑了一个带中心孔的方板承受单轴拉伸的情况,数值模拟采用了不同的非均匀分布网格。作者们比较了近场动力学的预测结果与有限单元方法的模拟结果,分析了网格密度,分布和方向性对断裂过程的影响,并展示了数值结果的非局部性。其次,一个带非中心圆孔的预裂纹板在拉伸载荷下的情况被模拟以评估局部加密网格下的效果。最后,一个包含两个平行预裂纹方板承受双轴拉伸的裂纹扩展情况被模拟,其中不同方向的平行裂纹被考虑。本工作的特点是同时结合了近场动力学模型和有限单元数值技术用于复杂裂纹问题的有效建模和模拟。

文二插图1-201709下.jpg

带有一条预裂纹和偏离中心圆孔的板,它的几何和单元剖分图

文二插图2-201709下.jpg

使用近场动力学模型对离底端不同位置的裂纹开裂过程的模拟




文三:

文三封面-201709下.jpg

https://search.proquest.com/docview/1930968343?pq-origsite=gscholar
在该博士论文中,作者提出了一个新颖的快速建模技术,称为近场超声(peri-ultrasound),使用该技术能建立用于模拟材料的线性和非线性超声行为的模型。非线性超声响应技术能够检测到非常小的材料非线性。在材料损伤的早期阶段对材料进行非线性量化能避免灾难性失效的发生并减少维修成本。作者使用非局部连续基近场动力学理论建立了本文的近场超声模型,近场动力学理论适合于描述裂纹扩展,特别是多裂纹同时生长的情况。作者将所发展的近场超声建模工具用于建立具有界面裂纹的双材料界面超声响应模型,并使用该近场超声模型研究了具有边界加载的半平面上应力波的传播问题。在另一个模拟中,作者研究了完整的二维Lamb问题,将模拟结果与已有的分析解相比较,并研究了表面波和表面开裂裂纹的相互作用。

文三插图-201709下.jpg

一块方板上不同时刻波的运动情况:(左栏)方板不带裂纹;(中栏)方板中心带细裂纹;(右栏)方板中心带粗裂纹。从上到下依次显示了15.56微秒,27.23微秒,38.9微秒和50.57微秒时刻波峰图。




文四:

文四封面-201709下.jpghttps://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.09.001

无论是作为一种人造的稳定陶瓷还是作为一种锆合金上的氧化层,氧化锆从四方晶到单斜晶的相转变过程都会使其力学性能衰减。作者们应用Abaqus有限单元框架执行近场动力学以研究四方晶到单斜晶相转变过程是如何在氧化锆里引起断裂的。在二维情况,作者们所建立的模型由一个等距膨胀转变的单颗粒,周围围绕着均匀单斜氧化物构成。作者们计算了转变颗粒中应变能和损伤量的改变对于应变能的转变时间、应用双轴压力和断裂应变的效果。减少所应用的压缩应力或者应用拉伸应力能减少转化应变能。引入断裂应变能在裂纹形成时导致周围氧化物区域的大量损伤,并通过减少转变颗粒的约束进一步减少了应变能转化。在双轴拉伸下,断裂的扩展和转变颗粒的约束减少更加明显。

文四插图-201709下.jpg

在设定断裂应变0.0024并且无施加压力的情况下,不同的相转变时间1×10^(-10)秒(图A)和1×10^(-9)秒(图B)时,裂纹显示图,其中红色代表已经断裂的键。




文五:

文五封面-201709下.jpg

https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2017.09.010

作者们针对热力耦合问题提出了一个三维近场动力学模型可以用于有效地模拟极端热载荷下的裂纹发生和扩展。因为不考虑由材料变形和损伤所产生的内部热能,所以本模型是一个弱耦合模型。因此,该模型适合于模拟低应变率现象。因为力系统和热系统的典型时间尺度可能相差几个数量级,所以根据问题本身的属性,作者们使用了多速率显式积分技术。最终,本文所提出的模型被用于模拟薄或厚板的热冲击响应,用以分别观察二维板上有序的平行裂纹和三维的蜂窝状裂纹模式,这种模式也被称为柱状勾缝。

文五插图-201709下.jpg

图(b1):近场动力学模型模拟的裂纹图;图(b2):典型玄武岩构型




文六:

文六封面-201709下.jpg

https://doi.org/10.1109/TVCG.2017.2755646
对于不同尺寸的各种弹塑性材料的统一模拟为卡通制作、接触处理和硬件加速提供了许多先进性。因为非结构化的颗粒表示比较简单,所以特别适合这类任务。然而,先前的无网格技术为了稳定性需要大量的计算消耗并且缺失物理意义,因此不能生成感兴趣的变形行为,例如泊松效果。本文中,作者们发展了一个弹塑性模型,该模型基于态型近场动力学框架,近场动力学公式中使用积分算子而不是偏微分算子。为了模拟弹性,作者们提出了一个独特的本构模型和一个有效的迭代模拟器,该模拟器使用一种投影动力学方式。为了处理塑性行为,作者们将模拟器与Drucker-Prager屈服准则和一个参考位置更新框架相结合。最终,作者们展示了如何通过基于位置的约束和随空间变化的刚度模型增强模拟器,从而完成粘弹性和颗粒流中的不可压缩、颗粒重分配、粘接和摩擦效果。实验结果显示了作者们所提出的统一的无网格模拟器是灵活的,有效的,茁壮的且方便并行计算。


文六插图1-201709下.jpg

本文所提出的颗粒再分配方法可以用于建模均匀粘弹性流体,比如蜂蜜。上图是蜂蜜在重力作用下的流动。(a) 蜂蜜流下;(b) 蜂蜜开始滴下;(c) 蜂蜜不再往下滴。


文六插图2-201709下.jpg

从(a)到(e),依次增加δ的值来有效避免拉伸不稳定并得到细的拉丝,如图(e)所示。其中δ取值从0到1,它控制着颗粒再分配的强度。


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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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