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近场动力学最新上线的文章快报:2018年1月(下)

已有 1391 次阅读 2018-8-9 17:01 |系统分类:科研笔记| 近场动力学

 

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2018年1月下期有五篇新文章上线(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:

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https://doi.org/10.3390/s18010274
基于弹性动力学计算工具的近场动力学被命名为近场弹性动力学。本文首次采用近场弹性动力学模拟了材料中的三维Lamb波型。近场弹性动力学是一种非局部无网格方法,而非局部无网格方法是一种不依赖于尺度的广义技术,常用于近似片状结构、微电子机械系统(MEMS)和纳米器件中声波和超声波的可视化,以描述它们各自的特性。本文模拟了一个近似片状的样品结构中基本的Lamb波型特征。通过一个安装在表面上的压电传感器,Lamb波型被从上表面生成。本文提出的广义近场弹性动力学方法不仅能够模拟以前表述的平面应变条件下的二维平面波,而且能够精确地模拟三维近似片状结构中非平面对称和反对称的Lamb波型。对于近似片状结构的结构健康监测和微电子机械系统设备的无损评估(Nondestructive Evaluation,NDE),有必要模拟三维波损伤交互场景并显示由于损伤导致的不同波特征。此外,为了模拟原始材料中超声导波波型,损伤板中的Lamb波也被模拟。通过模拟板平面内和通过板厚度方向的波型,并与理论分析结果比较,验证了本文所提方法的精确性。

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图: 一个近场弹性动力学模拟。在板厚度方向上S0和A0波型的速度场和位移分布。(a) A0波型在垂直板运动方向上的速度场;(b) A0波型在平行板运动方向上的速度场;(c) S0波型在垂直板运动方向上的速度场;(d) S0波型在平行板运动方向上的速度场。


文二

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https://doi.org/10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0634
在非局部键型近场动力学理论基础上,作者们提出了能够反映混凝土、岩石类材料力学特性和非局部长程力尺寸效应的改进型近场动力学微极模型, 弥补了常规微观弹脆性(Prototype Microelastic Brittle, PMB)键型近场动力学本构模型的应用范围限制和定量计算误差大等缺陷,并构建了相应的适合于模拟脆性多裂纹扩展问题的近场动力学算法体系。通过对不同核函数修正项对应的近场动力学定量计算结果进行比较,验证了改进型近场动力学模型和数值算法的计算精度并确定了精度最高的核函数修正项;模拟双裂纹脆性板受压和随机多裂纹脆性板受拉的裂纹扩展全过程并与已有结果对比,进一步验证了模型和算法在模拟多裂纹扩展问题时的可靠性。作者们还分析了含多裂纹三点弯梁的起裂和裂纹失稳扩展过程,并研究了裂纹初始倾角、初始长度等因素对构件破坏形式和破坏荷载的影响规律。

图:结构几何尺寸以及预期的实验结果图

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图:数值模拟的裂纹扩展过程


文三:

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https://arxiv.org/abs/1701.02790https://link.springer.com/article/10.1007/s10915-018-0645-6
作者们针对一维键型线性近场动力学模型发展了一类快速不连续伽辽金(DG)有限元方法。更确切地说,作者们在按几何等级局部细化的复合网格上发展了一个预处理快速分段常数DG格式,这种网格适合于处理对原始均匀划分网格时,位移场在一个节点上出现跳跃不连续性的情况。同时,作者们也在均匀网格上发展了一个预处理快速分段线性DG格式,并且当跳跃不连续性仅出现在一个计算节点上时,这个格式具有二阶收敛速度,否则具有二分之一阶收敛速度。基于这些结果,作者们在局部均匀细化的复合网格上发展了一个预处理快速混合DG格式,并用于数值模拟当位移场的跳跃不连续性出现在一个计算单元内时的PD模型。具体来说,他们使用了均匀网格上分段常数DG格式和网格尺寸为O(h^2)阶的局部均匀细化网格上分段线性DG格式,这种混合格式具有O(h)阶的整体收敛速度。鉴于它们的非局部特性,求解PD模型的数值方法生成了密集的刚度矩阵,从而导致了O(N^2)阶的存储需求和O(N^3)阶的计算复杂度,其中N是计算节点数目。本文还探索了刚度矩阵的结构,为DG方法发展了三种预处理快速Krylov子空间迭代求解器。从而显著降低了计算复杂度和存储需求。数值结果也显示了这些数值方法的实用性。

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图:解的演化过程显示并与精确解比较。


文四:

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https://doi.org/10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2017.009
作者们采用近场动力学方法对巴西圆盘劈裂破坏问题进行建模分析。在非局部键型近场动力学(PD)理论基础上通过引入物质点对的转动自由度,作者们构建了双参数微观弹脆性近场动力学本构模型以突破常规模型的应用范围限制并考虑岩石混凝土类固体材料的宏观拉压异性和断裂特征。作者们还引入动态松弛粒子系统力边界条件和平衡收敛准则等算法构建了完备的PD求解体系。作者们实现了含不同倾角中心裂纹巴西圆盘受压劈裂破坏全过程的近场动力学数值模拟裂纹扩展路径及破坏形式均与试验结果高度吻合,并进一步分析了初始中心裂纹倾角及其相对长度对巴西圆盘破坏荷载的影响。

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图:裂纹扩展路径和破坏模式模拟结果(左栏)和实验结果(右栏)比较。


文五:

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https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2018.01.016
本文采用键型近场动力学(PD)模拟了功能梯度材料(FGMs)中的各种动态脆性断裂。作者们对FGMs中动态裂纹扩展和分叉过程进行了PD分析,并且研究了均匀网格加密(m-收敛)和递减PD范围半径(δ-收敛)两种情况下的收敛性。同时分析了动态载荷下FGMs中材料梯度模式对裂纹弯曲和分叉过程的影响。另外,作者们研究了承受动态双轴向载荷的FGMs中单一裂纹的扩展过程,以及FGMs的加载条件和梯度模式的影响。研究结果表明材料梯度模式和加载条件都能够影响FGMs中裂纹的扩展,然而一个特定的弹性模量形式对FGMs断裂行为的影响却很有限。

图:在功能梯度材料板上施加不同大小的载荷,模拟所得在90微秒时裂纹和应变能云图。

图:三种不同功能梯度材料的中心带水平裂纹的板,在183微秒时刻裂纹的形状和应变能密度云图。



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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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