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近动力学最新上线的文章快报:2018年5月(中)

已有 1063 次阅读 2018-12-20 14:40 |系统分类:科研笔记| 近场动力学

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2018年5月中期有四篇新文章上线。下面我按照上线的先后顺序依次简要介绍:


文一:

https://doi.org/10.1007/s10704-018-0285-8
本文提出了一种定量分析材料断裂行为(裂纹萌生和扩展)的新的常规态型近场动力学模型。首次得到了线性弹脆性材料的常规态型近场动力学模型的临界拉伸与临界能量释放率的广义关系,作者们定义了释放能密度,以此定量跟踪裂纹扩展过程中释放的能量。本文同时考虑了平面应力和平面应变的三维(3D)和二维(2D)情况。作者们使用所提出的模型分析了紧凑拉伸和双悬臂梁试验,该模型能够成功地捕获上述断裂试验的断裂行为(如裂纹路径和应变能密度的积聚)。本文计算了特征参数(即临界载荷,临界能量释放率等),并与文献中可用的试验和数据进行比较,验证了所提模型的有效性。

图:双悬臂梁(DCB)几何与载荷条件示意图

图:模拟结果与局部放大图(a)裂纹路径(b)应变能密度(c)释放能密度


文二:

http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0021998318774100
本文提出了一种预测层合纤维增强复合材料损伤和特定失效模式的新方法。该方法以近场动力学理论为基础,对每层板进行建模,并对各层的纤维和基体材料进行显式表征。上述特性使作者们能够方便地分析任意纤维方向的层压板。此外,作者们提出并应用了一种新的失效模式识别算法。与传统的近场动力学损伤参数不同,新算法着手于单个断裂键,使得对基体断裂、纤维断裂、层间分层等不同失效模式的识别更加直观、清晰。本文通过考虑层间增强和非层间增强的复合材料层合板的低速度冲击损伤实验,验证了新方法的可行性。本文采用了Z-pin层间增强技术; 并考虑了Z-pin的两种几何构型。在空军研究实验室作者们开展了撞击试验,并用超声波对样品做了撞击后无损检测,以表征层合板分层的特征。作者们用本文所提出的近场动力学模型对不同样品的冲击试验进行了模拟。他们将预测的冲击损伤破坏模式与实验测量结果进行了比较,比较结果显示新方法能定量以及定性地捕获到低速冲击损伤。

笔者注:什么是Z-pin层间增强技术?

树脂基碳纤维复合材料层合板在多次冲击下容易产生层间分层,这使层合板在较低的载荷下就发生分层失稳和扩展,从而导致结构失效。因此,很多研究人员开展了层合复合材料厚度方向的增强技术的研究,以便降低复合材料层压板对分层损伤的敏感性 [1],这些技术包括编织、缝合、Z-pin增强等,其中 Z-pin 增强技术是最简便、影响最小和有效的方法。

Z-pin技术工艺过程是在预浸件中直接嵌入固化好的纤维棒或金属棒,然后再按传统方法对含Z-pin的复合材料固化成型。Z-pin可选用的材料非常广泛,可用钢、铝等金属,也可用碳纤维、玻璃纤维等非金属,其直径一般在0.2mm~0.6 mm之间,体分比一般2%~5%左右。Z-pin嵌入预浸件中可多个排列有序的一次性整体嵌入和利用高压枪单个射入,其中常用整体嵌入有热压灌法和超声植入法(UAZ)两种工艺 [2]。

[1] 朱洪艳,南力强,云庆文,王琚,Z-pin增强复合材料结构研究综述,探索创新交流(第7集)——第七届中国航空学会青年科技论坛,2016-10-31,中国广东中山。

[2] 杨 鹏,张 黎,Z-pin增强技术在碳纤维复合材料中的现状与展望,山东工业技术,2016,05,33-34。


图:纤维和基体材料区域的显示表征

图:本文提出的近场动力模型中键的类型定义

图:在不同方向的铺层中应用了Z-pin增强技术的示意图

图:本文提出的近场动力模型中针对含Z-pin铺层的键类型定义

图:Z-pin增强层合板分层损伤的平面显示。近场动力学预测结果(a)不同深度的损伤云图,(b)表面损伤区域;(c) 实验测量损伤区,(d) 无损探伤结果。


文三:

http://jes.ecsdl.org/content/165/7/C362.full.pdf
本文提出了一种新的近场动力学(PD)模型,用于晶间腐蚀(IGC)破坏。该模型可以模拟从晶界腐蚀到全晶粒溶解的情形。与其它模型相比,本模型用于校准的输入数据最少,即只需要用到塔菲尔动力学和电解质扩散系数。模型一旦校准,该PD模型能定量预测AA2024-T3中氯化钠(NaCl)溶液的腐蚀穿透深度以及腐蚀的微观组织形态。作者们注意到,如果在数小时内的晶粒溶解度可以忽略不计时,扩散控制假设得到的结果与实验观察结果非常吻合。各向异性微观结构的测试证实了在轧制AA2024-T3板中腐蚀渗透的方向依赖性。在模型没有任何其他变化的情况下,增大施加的电位会导致部分和全晶粒溶解。本文所介绍的PD模型可以应用于任何多晶合金。

图:1摩尔/升的氯化钠溶液加0.6伏电压的条件下,AA2024薄箔的晶间腐蚀情况。a) SEM照片显示随时间演进腐蚀加深; b) 微结构模型; c) PD模拟结果显示随时间演进腐蚀加深。



文四:

https://doi.org/10.6052/0459-1879-17-386
近场动力学的非常规态型模型在采用节点积分时将引起零能模式,造成位移场、应力应变场的数值不稳定性,影响计算精度甚至会导致完全错误的结果,因此必须对其进行控制。目前国际上还没有十分有效的零能模式控制方法。本文针对零能模式问题,提出了一种通用的、高效的控制方法。根据近场动力学线性键理论,确定非均匀变形对应弹性张量的具体形式,考虑了微模量随不同作用键的变化。通过最小位能原理推导出非均匀变形引起的力状态,结合近场动力学力状态,得到稳定的力状态表达式。从而建立起基于线性键理论的稳定关联材料模型,并应用于含圆孔平板、三点弯试件线弹性变形和损伤破坏过程模拟。数值结果表明,本文提出的模型能有效抑制近场动力学的非常规态型模型中的零能模式现象。与已有零能模式控制方法相比,其物理意义明确,不包含控制参数,避免了复杂的零能模式参数调节过程,提高了计算效率。

图:三点弯曲加载的几何与网格图


图:三点弯曲试件零能模式对材料损伤的影响



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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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