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近场动力学最新上线的文章快报:2020年4月(中)

已有 484 次阅读 2020-11-19 13:00 |系统分类:科研笔记

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2020年4月中期近场动力学领域有五篇新文章上线,其中文一将近场动力学方法与有限体积法相结合用于模拟水力压裂中流体驱动裂纹扩展的问题;文五将近场动力学方法与扩展有限元法相结合,在裂尖的缺陷萌生处采用局部化的近场动力学网格,其余区域采用扩展有限元法模拟裂纹几何;其余三篇文章采用近场动力学模型分别模拟了热力载荷引起的弹性断裂、热力除冰问题以及增材制造的材料中相界面对裂纹扩展的影响。下面我们依次简要介绍:


文一:

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https://doi.org/10.1016/j.petrol.2020.107252

针对多孔弹性问题的耦合无网格近场动力学与有限体积法

近场动力学是一种非局部连续介质力学理论,建立该理论主要是为了更好地理解不同机理引起的材料破坏,包括地下水库水力压裂过程中的流体驱动裂纹扩展。因为它的非局部特性,该理论计算代价很高。为提升计算性能,有研究者针对静力平衡问题提出了一种方法来耦合近场动力学(PD)与更高效的有限单元法(FEM)。本文对该方法进行了改进,通过耦合基于PD的多孔弹性模型与有限体积方法(FVM)来模拟多孔介质问题。将计算域划分为两个子域来实现耦合,其中一个用PD计算另一个则采用FVM计算。文章先是针对包含流体质量平衡的渗流建立了公式,在此基础上针对包含岩石动量平衡的多孔弹性问题对公式进行了扩展。通过与经典问题的解析解进行比较,从而验证了本文耦合模型的准确性,在PD-FVM界面附近没有观察到虚假现象。文章还说明了对比纯PD模型而言,计算性能得到了提升。此外,由于PD和FVM的传递率/雅可比项在稀疏模式与程度方面的差异,结果表明在全局矩阵中FV方程后面附加PD方程有额外的计算优势。

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图:二维区域分别将近场动力学(PD)和有限体积(FV)单胞展示为红色和绿色。

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图: 二维全局传递矩阵的矩阵结构。绿框表示非零FVM项,红框表示非零PD项。(a)单胞连接占主,(b)方程类型占主。

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图:四边形网格剖分计算区域,红色代表近场动力学单元,绿色代表有限体积单元

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图:耦合近场动力学与有限体积法所得结果与解析解进行对比,(a) 压力云图,(b) 沿图(a)所示对角线的无量纲压力




二:

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https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107040

一种针对弹性断裂分析的二维常规态型近场动力学模型

本文针对定量弹性断裂分析建立了一个二维常规态型近场动力学框架,提出了考虑热力荷载(弹性模型)的近场动力学力态、键失效准则以及数值实现方法的一种新形式,给出了显式时间积分的临界时间步长。接着,通过采用本文提出的二维近场动力学模型,分析了拉伸与热膨胀荷载共同作用下的平板以及紧凑拉伸(CT)试验试样,模拟结果与解析解以及有限元模拟结果相比较为吻合。文章提出的二维近场动力学模型可以定量研究二维问题的弹性断裂行为。

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图:紧凑拉伸试件。

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图:使用态型近场动力学模型计算的典型状态下的紧凑拉伸模拟:y方向位移分布(a, b),应变能密度(c, d),裂纹扩展(e, f)




三:

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https://doi.org/10.1016/j.dt.2020.04.001

基于改进冰破坏准则的热力除冰过程的近场动力学建模与模拟

除冰技术近年来已逐渐成为各类应用领域中的重要研究课题,但是对热力除冰这一物理过程的直接数值模拟相当有限。本文重点关注在热力耦合近场动力学框架中建立起直接模拟去冰过程的数值模型与工具。文章采用完全耦合的热力键型近场动力学(TM-BB-PD)模型来模拟去冰过程,在TM-BB-PD框架中,通过考虑两个物质点间温度差的影响建立了冰的本构模型,提出了一种改进的失效准则,考虑了温度效应来预测准脆性冰材料的损伤。此外,采用热边界条件来模拟去冰过程中的热荷载。通过与试验结果以及前人文献中的有限元模拟结果比较,本文的数值结果展现了良好的一致性。基于数值结果可以发现本文提出的方法不仅能预测冰中的裂纹萌生与扩展,还能预测去冰过程中的温度分布与热传导。此外,文章进一步讨论了温度对冰的裂纹扩展模式的影响。总之,带有改进失效准则的热力耦合近场动力学模型能为去冰技术的工程应用提供有效的模拟手段。

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图:模拟去冰实验的数值模型示意图。

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图:t=1.0x10^{-9}s时的温度分布结果对比。

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图:去冰过程中冰的裂纹萌生和扩展



四:

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https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105622

近场动力学研究α/β相界面对增材制造钛合金疲劳裂纹偏转的影响

基于近场动力学框架下的疲劳模型,本文提出了一种方法用于表征α/β界面对增材制造(AM)Ti–5Al–5Mo–5V–1Cr–1Fe疲劳裂纹扩展(FCG)的影响。通过模拟FCG的行为,作者们发现模拟结果与前期的实验观察结果吻合较好,从而验证了该方法的有效性。然后,作者们对所提出的方法进行了深入的讨论,并提出了可能的改进意见。综合本文的研究结果表明,与目前对传统制造材料的疲劳和损伤容限评估相比,考虑材料疲劳阻抗的各向异性性对于增材制造材料具有重要意义。

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图:含矩形柱状晶粒(CG)区域的简明紧凑拉伸试件(C(T))的几何形状。

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图:近场动力学模拟与实验观察到的初始裂纹路径方向到最终裂纹路径方向的转变过程。

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图:五个特定点的裂纹路径与相应裂纹尖端的冯米塞斯应变场;黄色箭头表示基于裂纹尖端场信息的裂纹扩展方向预测,γ_{1}、γ_{2}表示实际的裂纹扩展方向。




文五:

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https://doi.org/10.1007/s00466-020-01843-z

耦合扩展有限元和近场动力学用于脆性断裂模拟(一):可行性和有效性

本文提出了一种用于脆性断裂模拟的耦合近场动力学(PD)与扩展有限元方法(XFEM)的策略。该策略将PD和XFEM相结合,其中PD区域限制在裂尖附近,XFEM用于捕捉局部化PD网格以外区域内裂纹的几何形状。作者们研究了该方法在I型开裂问题上的可行性和有效性,重点研究了新型耦合策略、完全PD网格和商用软件Abaqus所计算的J积分值的比较。结果表明,在特定的计算精度需求下,该方法在所需的计算资源方面优于完全PD网格。当考虑裂纹扩展问题时,由于该方法将FEM和XFEM的效率与PD模拟断裂的固有能力相结合,因此有望节省大量的计算时间。

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图:验证算例的几何和边界条件。

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图:三个不同时刻耦合(有限元)FE-(近场动力学)PD模型中的脉冲传播,上面一行为整个板上的u_x图,中间一行为图一参考线上的u_x图,底下一行显示了FE-PD计算结果与FE计算结果之间相对误差的演化。

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图:双悬臂梁的几何和边界条件。

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图:L^{PD}=0.15mm时三个不同载荷增量的裂纹演化,白色和黄色方格分别用于表示标准有限单元和扩展有限单元。


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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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