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近动力学最新上线的文章快报:2019年6月(中)

已有 957 次阅读 2020-1-6 16:50 |系统分类:科研笔记| 近场动力学

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2019年6月中期近场动力学领域有五篇新文章上线,其中第一篇文章引人瞩目,它展示了第三届桑迪亚断裂模拟挑战赛中的一项参赛答卷:即采用近场动力学的模型盲预测增材制造金属延性断裂特征。所谓盲预测就是事先只给出实验的参数和加载条件,用已有的数值方法模拟并预测实验结果,比赛结束后才公布真实的实验结果。到目前为止,美国桑迪亚国家实验室已经举行了三届断裂模拟挑战赛,感兴趣的近友们可以自行上网查找相关内容,以后有机会我们也会做专门的报道。下面按照上线的先后顺序依次简要介绍本期的内容:


文一:

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https://doi.org/10.1007/s10704-019-00363-z

第三届桑迪亚断裂模拟挑战赛:增材制造金属延性断裂特征的近场动力学盲预测

以第三届桑迪亚断裂模拟挑战赛(SFC3)为背景,本文展示了德克萨斯大学研究团队进行的盲预测细节。在过去二十年里,近场动力学理论在模拟材料的自发裂纹成核和扩展问题中显示出了巨大的潜力。尽管近场动力学已经广泛应用于模拟脆性材料的断裂,但其预测延性断裂的能力大多尚未经过测试。本次断裂模拟挑战赛的考核方式是模拟由桑迪亚国家实验室执行的针对增材制造出来的具有复杂几何形貌的316L不锈钢金属棒的动态拉伸试验,它被视为评估近场动力学理论与技术水平的一个绝佳机会。通过此挑战性问题,作者们研究了最近提出的、广义的、常规的有限变形相应本构关系模型与态型损伤相应模型的性能。对于有限变形的材料建模,在一般相应理论下实现了Simo的经典弹塑性框架。利用相应损伤框架,结合Johnson-Cook失效准则,建立了损伤模型。利用桑迪亚国家实验室提供的纵向和缺口试验数据,采用迭代反演技术对模型参数进行了校正。通过在近场动力学模拟中嵌入校正后的模型,对SFC3的变形和破坏行为的几何形状进行了盲预测。在模型参数中引入了不确定性来量化材料的变化。研究结果与桑迪亚国家实验室的实验结果进行了比较。虽然我们的建模方法取得了良好的结果并准确预测了裂纹路径,但不足以预测结构的承载能力和模拟早期断裂。我们的后实验分析表明与模型相关的材料不稳定性问题是误差的主要来源。

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图:挑战赛试样的几何模型采用平均边长为0.16的四面体单元将其离散。近场动力学离散点置于每个单元的中心,并分配相应的单胞体积,单位为毫米

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垂直Hencky应变等值线图的DIC实验测量和预测结果的比较(a-b裂纹开裂,c-d完全断裂)


文二

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https://doi.org/10.1111/ijac.13318

钢珠冲击氧化铝陶瓷砖:实验与有限元模拟

有限元模拟对于评估和优化先进装甲系统的设计是非常有用的,但它们需要捕捉复合材料支撑的瓷砖在受到冲击时的损伤和失效机制。破坏的发生,主要是由于径向和锥形裂纹的形成和粉碎,这个过程非常复杂。因此,理解这些机理的第一步是简化问题。本文采用球形钢弹丸对两种不同厚度的无支撑氧化铝陶瓷砖进行了冲击试验。利用损伤的观测结果来研究计算程序捕捉到氧化铝砖在不同冲击速度下损伤机制的能力。利用商用有限元软件LS-DYNA,研究了三种本构材料模型,用于模拟各向同性固体的脆性断裂。它们分别是目前流行的用于陶瓷材料的Johnson-Holmquist模型2、伪流变Karagozian&Case混凝土模型ReleaseⅢ和弹性键型近场动力学模型。数值结果展示了每种方法捕捉由钢珠冲击氧化铝陶瓷砖导致损伤的能力。

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图:13mm砖受到不同冲击速度的作用(从左到右):(A)100m/s(正面,背面,X光);(B)197,198,199m/s;(C)298,301,300m/s;(D)501,499,499m/s;(E)771,824,832m/s

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图:Johnson-Holmquist陶瓷模型2模拟13mm厚度陶瓷受到速度为197m/s的冲击后的圆锥尺寸和剩余圆锥速度

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图:9mm厚的氧化铝砖背面的损伤演化随冲击速度的变化规律的模拟结果与选定的实验结果进行比较


文三:

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https://doi.org/10.1007/s10409-019-00873-y

一种改进方法消除近场动力学对应模型中的零能模式

近场动力学对应模型提供一种包含了经典局部模型的方法,能够轻松解决具有不连续性的力学问题。但由于变形梯度张量的近似,在数值实现过程中会出现零能模式引起误差。为了消除零能模式,先前的做法更多的基于补充一个由键型近场动力学理论推导出的力态,需要利用键型近场动力学微模量。本文提出一种改进方法,从近场动力学对应模型中直接推导得到稳定性力态,不再需要微模量。改进方法不需要常数控制稳定性力态尺度,对各向同性与各向异性材料均适用。最后作者利用几个例子模拟了裂纹扩展,数值计算结果显示出该方法的效率与精度。

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图:动态断裂建模:几何模型与边界条件

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图:应力σy=12MPa作用下损伤演化随时间的增加


文四:

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https://doi.org/10.1007/s40571-019-00254-z

非常规态型Godunov-近场动力学方法解决固体中强冲击问题

近场动力学的理论和无网格方法可以用于瞬时强断裂问题的建模,例如动态断裂和破碎冲击问题。为了更有效得将数值方法应用于这些问题,需要明确基本冲击物理以及Gibbs稳定性。冲击处理中的Godunov方法可以很好地处理这两个问题,且尚未在近场动力学中有应用。本文为非常规态型近场动力学引入了一个基于物理的冲击建模公式,即通过在力态中嵌入Riemann解引入了Godunov计算框架,得到一个无协调参数的冲击公式。最后作者们计算了几个标志性问题来显示所提方法在解决固体冲击问题建模中的有效性。

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图:高速板冲击压力等值线图:左边两图为时间t=0.075μs的近场动力学和Godunov近场动力学结果,右边两图为时间t=0.25μs的近场动力学和Godunov近场动力学结果。


文五:

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http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10657-1018846622.htm

基于热耦合近场动力学理论的材料裂纹研究

近场动力学理论是由silling教授在2000年提出的研究固体力学的分子动力学理论,它基于非局部理论思想,打破了传统方法利用微分方程求解的局限性,利用积分方程研究材料的破坏过程,避免了用传统经典力学计算过程中在裂纹或裂纹尖端不能进行微分求解时产生的奇异性。基于这一理论思想,本文通过结合热力学相关内容对本构方程进行优化,并设计动态监测系统来对近场动力学模型进行数据采集,最后通过对脆性材料破坏的仿真分析推进其在实际工程中的应用。

 

本文首先对近场动力学理论及计算方法进行了简单介绍,并以该理论为依据,结合本构方程的三大特点构造含有温度参数的热耦合近场动力学本构方程,并且通过热力学知识,能量守恒定律进行热耦合近场动力学本构方程的推导,对其中的相关参数如物质点的损伤,变形能密度及损伤释放能密度进行定义和推导。并且对原有的计算方法进行优化,利用高斯点积分方法对本构方程进行求解。并通过对含缺陷材料板的仿真实例论证其可行性。

 

其次,本文通过建立实时监测系统来实现数据采集,为近场动力学理论计算时的初始数据进行模拟仿真计算,并运用C语言编写程序将计算过程简化并将计算结果保存,通过MATLAB进行可视化模拟显示。最后,本文通过对脆性圆盘的计算实例仿真从模型建立,数据采集,到编程计算,仿真分析计算过程验证了检测系统的稳定性以及热耦合近场动力学在材料可靠性研究方面的意义。

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图:脆性圆盘不同时间步损伤分布图、变形能密度分布图和能量释放速率


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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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