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近场动力学最新上线的文章快报:2018年3月(下)

已有 1075 次阅读 2018-10-10 16:07 |系统分类:科研笔记| 近场动力学

 

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2018年3月下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:

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https://doi.org/10.1007/s10704-018-0277-8
节理岩体的力学性能和开裂行为显著受拟静态应变率的影响。这一结论主要是通过数值模拟获得的,却很少被实验验证。作者们针对双切槽岩石类样本在不同拟静态应变率情况下进行了实验与数值合并研究,并考虑了宏观力学性能、拟静态开裂行为和潜在的断裂机理。作者们通过实验分析了两个预切槽的三组常规排列,即共面排列、垂直非交叠排列和垂直对齐排列。获得的结果表明含双切槽样本的裂纹初始应力和峰值应力通常随着应变率的增加而增加。含双切槽样本内主宏观裂纹的延伸长度、裂纹起裂方式、远场裂纹数量和最终碎裂程度与应变率密切相关。此外,作者们采用近场动力学方法数值模拟了双预切槽的垂直非交叠排列的例子。通过近场动力学方法获得的拟静态断裂行为与实验观测结果吻合得很好。当应变率相对较低时,应力集中于裂纹尖端周围;而当应变率相对较高时,除了裂纹尖端周围,应力集中也发生于样本的内部。本研究为拟静态应变率对岩体,特别是那些包含成套或成组有相似方向和特点的自然裂隙的岩体,的力学性能和断裂行为的作用提供了更好的理解。

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图:每秒0.667应变率加载下双垂直非交叠切槽试样的拟静态开裂过程的实验与模拟结果对比:a 裂纹扩展初始,b 裂纹扩展中间阶段,c 裂纹扩展致使试样最终失效。


文二

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http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-KXJS201801035.htm

研究在湿热条件下复合材料的冲击损伤特征,是复合材料应用在舰船壳体的一个重要基础。作者们发现目前的有限元方法在分析损伤及裂纹扩展问题中遇到了一定的困难,需要引入近场动力学理论分析复合材料湿热冲击损伤。作者们在复合材料近场动力学的模型中,定义了层内和层间共4种不同作用键,并在本构方程中引入了湿热伸长率项,从而把键伸长率判定和键常数改进为湿热环境下的形式,建立了湿热环境下复合材料层合板的近场动力学模型。基于上述模型,作者们模拟了不同湿热环境下复合材料层合板冲击损伤,并分析了冲击速度对湿热处理复合材料层合板吸能性能的影响。结果表明:在冲击速度较低情况下,湿热因素对层合板冲击损伤影响较大;当温度与湿度共同作用时,层合板抵抗冲击能力更强。

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图:冲击速度为100m/s时,不同湿热环境冲击损伤的结果。


文三:

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https://doi.org/10.1155/2018/8412620
锚从混凝土结构中拔出的预测模拟不仅是结构力学中的难题,而且在结构设计安全中非常重要。在有限单元方法中,通常需要预先假定裂纹路径和裂纹初始点。否则,一般要采用一些专门的裂纹扩展处理和自适应网格重构算法。为了避免采用有限元法所遇到的困难,本文引入了一个扩展的近场动力学方法,并借此研究了锚栓从纯混凝土中拔出的应用。在分析中,借助一个改进的短程力描述了锚栓和混凝土之间的相互作用,并针对混凝土发展了一个扩展的键层模型。数值分析的结果表明:获得的拔出载荷峰值和锚固系统的裂纹分叉与实验结果吻合得很好。

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图:失效模式比较(近场动力学模拟VS实验结果)。


文四:

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http://digitalrepository.unm.edu/ce_etds/189/
本论文介绍了一种新颖的离散近场动力学框架,称之为态型近场动力学颗粒模型(SPPM)。在该框架中,模拟一个固体既不需要求解微分方程也不需要求解积分方程,而是通过直接求解有限项求和形式的离散方程系统。SPPM的建立是为了用于随机分布的颗粒体系,因此它也被看作是一种无网格方法。在这种方法中,不必施加连续性和均匀性的假设。SPPM是一种广义化的态型近场动力学格子模型(SPLM)。在SPLM的公式中,为了追求简洁和计算效率,研究者采用了规则栅格排列的颗粒,并且作用半径的大小是固定的。本文所提出的SPLM方法不同于先前的版本,因为作者改进了计算键力、损伤和塑性变形的过程。本文还为SPPM和SPLM提出并发展了一种新颖的鲁棒的损伤方法,被称作双弹簧损伤模型(Two Spring Damage Model),它具有建立颗粒损伤模型的能力。

这种重构的SPLM方法被校验和用于模拟混凝土结构。作者将获得的结果与先前SPLM版本、实验测试和商业有限元软件Abaqus得到的结果进行了比较,并且描述了每种建模方法的优势和难点。这种重新建立公式的SPLM比先前的版本展示出显著的进步。获得的模拟结果表明:SPLM方法所模拟的结果与开发完善的Abaqus软件产生的结果相似,在某些方面更真实,且更易于理解和使用。得到的结果也合理地重现了可用的实验数据。

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图:单轴压缩问题最终时间步所得裂纹模式:晶格点转动(a)0度,(b)15度,(c)30度。


文五:

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https://doi.org/10.1137/16M1090351
在许多应用中,如何解决小尺度非均匀性仍然是建立鲁棒且可靠预测模拟的一个重大障碍。尤其当材料在细观尺度上的变化对于失效过程起着主要作用的时候,要捕捉这个尺度上的机理从计算层面上讲常常是棘手的。对于这一困难,多尺度方法通过合理地筛选小尺度的问题和尺度间信息传递方式加以解决。其中一种非常有前景的方法就是多尺度有限元法,它通过求解更低尺度的问题以产生丰富的多尺度基函数从而增加宏观尺度模拟的精确性。作者们的首要工作就是将多尺度有限元方法应用于固体力学中的非局部近场动力学理论。它基于不连续伽辽金框架用以描述材料的不连续性,且无需假设存在空间的导数。作者们采用移动伽辽金方法(ambulant Galerkin method)分析了该非局部多尺度有限元方法,并且本文所提出的移动伽辽金方法具有充分的一般性,使得对于满足最小假设(minimal assumptions)的局部和非局部模型都能应用多尺度有限元方法。最后,作者们展示了应用混合局部/非局部多尺度有限元方法得到的初步结果,其中在细尺度上采用非局部模型,在粗尺度上采用局部模型。

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图:(左)局部多尺度有限单元计算结果与(右)非局部多尺度有限单元计算结果的比较。


文六:

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https://doi.org/10.1117/12.2297713
在近场动力学非局部理论中,积分方程代替了经典(局部)连续介质力学中的偏微分方程。这是近场动力学理论的一个重要特征,这也使得它易于应用在弹性连续介质内位移场的偏导数可能不存在的问题(例如:尖角和分叉)。裂纹边缘就是位移场不连续从而偏导数无法定义的一个例子。在最近十年里,近场动力学理论吸引着研究者们应用它建立裂纹初始和扩展的模型,特别是像裂纹分叉和多个微裂纹相互作用的现象。对于其它经典(局部)理论,这些问题可能非常具有挑战性。尽管已经取得了显著的成效,但近场动力学仍然是一个相对新的主题,它依然有发展的空间。可发展的方向之一就是把近场动力学理论和传统多体动力学相耦合。这将为旋转部件如风力涡轮机或者直升机转动叶片的损伤预测提供一个有用的模拟工具。本文发展了近场动力学和柔性多体动力学的耦合公式。作者们采用浮动坐标系(FFR)方法捕捉了由近场动力学模型建立的固体大尺度转动和平动。

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图:可变形体内部物质点的运动示意图。


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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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