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近场动力学最新上线的文章快报:2017年12月(上)

已有 2742 次阅读 2018-5-9 20:42 |系统分类:科研笔记| 近场动力学

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2017年12月上期有六篇新文章上线。下面我们按照上线的先后顺序依次简要介绍:


文一:

文一题图201712上.jpg

http://www.cqvip.com/qk/84018x/201726/673471565.html
热防护材料烧蚀过程是一个典型的非线性、不连续问题。近场动力学理论采用空间积分方程代替偏微分方程,能自然地描述烧蚀面的移动而不需要引入其他临界条件和数值方法。本文提出了只考虑接触近邻的热键模型,推导了改进的近场动力学瞬态热传导理论,引入烧蚀损伤模型,能够简单准确地捕捉热流,实现了对烧蚀过程的描述。最后作者们对方法的准确性和有效性进行了验证,数值结果与文献中的理论结果和实验结果吻合很好。

文一插图201712上.jpg

图: 烧蚀温度场分布云图




文二

文二题图201712上.jpg

https://arxiv.org/abs/1711.08445
作者们利用近场动力学理论重新探讨了应力的概念。基于面力的思想,作者们定义了两种新型的近场动力学应力张量P^yP,这两种张量分别对应传统弹性理论中的柯西应力张量和第一类Piola-Kirchhoff应力张量。研究发现,应力张量P与传统近场动力学中的应力张量ν是不同的,但二者的散度却是相同的。在键型近场动力学的情况中应力张量P^y被证明是对称性的。相反,传统近场动力学应力张量ν的Piola逆形式(类似于柯西应力张量)一般是不对称性的。作者们还推导了近场动力学力通量的一般表达式,并计算了当非局部趋近于局部时应力张量P的极限形式,记为P0。作者们显示张量P0与坍缩张量ν0惊人的一致,也就是原始的应力张量ν的极限形式。最后,作者们利用通量公式解释了坍缩张量P0(也是ν0)可以由第一类Piola-Kirchhoff应力张量确定的原因。




文三:

文三题图201712上.jpg

https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2017.11.010

在边缘冲击试验中,一种具有优异弹道性能的透明陶瓷材料(即ALON)表现出晶间和晶内的复合断裂。在冲击作用下,陶瓷材料最初的高速损伤区域前缘转变为低速扩展的局部化裂纹。作者们发展了针对多晶体AlON材料的近场动力学数值模型,并用于研究实验观察到的破坏演化过程的力学机理。在近场动力学数值模型中,多晶体结构的颗粒尺寸与试验中的材料相一致。本文中,近场动力学模拟结果解释了裂纹尖端超剪切扩展(裂纹扩展速度大于剪切波速√2倍)及随后转变为亚瑞利波速扩展的局部裂纹的原因。近场动力学模型计算的损伤前缘扩展速度与试验测量值相吻合。本文中,作者们研究了各向异性弹性模量以及材料微观结构对脆性多晶材料在无约束边缘冲击试验中损伤演化的影响。其他可能的耗散机理,如孪晶、塑性、摩擦,没有在该模型中考虑。这些影响因素在本文考虑的冲击速度下对这种材料的损伤和失效演化可能只具有次级效果。

文三插图一201712上.jpg

图:近场动力学单晶AION模型的微模量表面

文三插图二201712上.jpg

图:在0.3微秒时,试样前表面的损伤指数。从左至右每列的近场作用半径分别取2/5,1/5和1/10的平均粒径(200微米)。从上到下每行的结果分别采用各向同性、单晶和多晶模型。




文四:

文四题图201712上.jpg

https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2017.11.034
近场动力学理论已经被成功地用于预测不同材料和结构中损伤萌生和裂纹扩展问题。本文中,作者们应用近场动力学理论计算冰荷载并模拟船舶与冰相互作用过程。作者们研究了用在计算程序中的冰与材料性质、碎冰模型及船-冰接触模型。近场动力学数值算法可以捕捉到船舶破冰的主要特征,包括碎冰中裂纹起裂和扩展、碎冰的翻转、堆积等。上述这些现象常常在极地活动中被观察到。研究发现,在不需要引入额外用于裂纹扩展,预生成裂纹路径或者裂纹分叉等准则的情况下,近场动力学模型可以自发模拟裂纹起裂和扩展过程。通过与可用的实验结果(用于计算破冰过程和冰荷载)相对比,作者们验证了近场动力学数值模型的有效性。

文四插图一201712上.jpg

图:破冰过程顶视图

文四插图二201712上.jpg

图:破冰过程侧视图




文五:

文五题图201712上.jpg

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.074
在许多现代工业中都发现了非傅立叶和非局部热传导现象,这些现象可以通过相位滞后微分方程或傅立叶积分公式建立其数学模型。本文提出了一个近场动力学非傅立叶热传导模型用于同时考虑非傅立叶效应和非局部效应,通过在态基近场动力学理论框架中引入双相位滞后概念建立了该模型(PD-DPL模型)。该模型不仅适用于微观尺度到宏观尺度的瞬态导热,还适用于其他领域的相位滞后扩散。本文还编制了用于求解已知解方程的数值计算程序,计算结果与理论解和实验数据吻合。与传统非傅立叶热传导模型相比,PD-DPL模型能更好地应用于非连续问题的求解。

文五插图201712上.jpg

温度场分布图:(a) 近场动力学热波模型 t=0.1 秒; (b) PD-DPL模型 t=0.1 秒;(c) 近场动力学热扩散模型 t=0.1 秒;(d) 三个模型在 t=0.5 秒时温度场分布相同,如该图所示。




文六:

文六题图201712上.jpg

https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.11.039
非常规态型近场动力学(NOSB PD)中的力密度矢量代替了推导自经典应力平衡方程中应力张量的散度的内力矢量,它只包含应力分量和位移分量的一阶微分的非局部形式,因此NOSB PD理论本身存在振荡的特点,尤其是在位移梯度较大的区域。本文引进了一个力密度矢量求解的新方法,通过考虑由位移平衡方程导出的内力矢量,它只涉及位移分量的二阶微分的非局部形式。根据本文提出的力密度矢量所得的数值模拟结果显示不存在任何振荡。因此,该理论被称为加密非常规态型近场动力学(RNOSB PD)。数值模拟涉及到NOSB PD和RNOSBPD在准静态和动态拉伸荷载作用下含或不含裂纹的各向同性板的裂纹扩展过程的对比,数值模拟结果表明RNOSB PD在模拟破裂时更有效、更精确,并且不存在任何数值不稳定的现象。

文六插图一201712上.jpg

图:近场动力学横向位移预测结果:(a) NOSB 模型,(b) RNOSB 模型


文六插图二201712上.jpg

图:近场动力学纵向位移预测结果:(a) NOSB 模型,(b) RNOSB 模型


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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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