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近场动力学最新上线的文章快报:2020年5月(二)

已有 541 次阅读 2020-11-23 08:46 |系统分类:科研笔记

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2020年5月第二期近场动力学领域有七篇新文章上线。本期有几篇文章特别需要关注:文二介绍了一种包含原子尺度信息的超弹塑性损伤模型;文三针对含纳米管的碳纤维增强聚合物基复合材料同时利用实验观测与近场动力学模拟进行了损伤机理分析;文四提出了一种分子动力学与近场动力学耦合的并发式多尺度模型用于动态断裂模拟;文五展示了耦合有限元与近场动力学应用于饱和多孔介质中水力压裂模拟下面我们依次简要介绍:


文一:

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https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.107472

利用近场动力学分析脆性裂纹扩展对船舶结构强度的影响

虽然船舶结构在最初设计时有较大的安全系数,但其仍可能会受到损伤。造成船舶结构损伤的原因有很多种,例如:碰撞、搁浅、爆炸、腐蚀、疲劳、超载或极端环境条件。在一些特殊的条件下,例如:低温、高加载速率、多轴应力约束或钢的可焊性差,船舶结构会发生脆性损伤。在本文研究中,预测了船舶结构在承受不同的荷载条件下逐步发生脆性损伤的过程。本文首次提出一种基于最近发展的近场动力学壳模型及其方法来评估损伤演化过程中的结构强度。首先,在损伤演化的过程中,对船舶结构的纵向强度(弯矩)进行了数值计算。通过实验验证了完整的船舶结构的最大纵向强度。接下来,研究进一步扩展到模拟具有初始损伤的船舶结构,即船舶结构底部有矩形缺口。本文比较了完整船舶结构与不同的缺口尺寸下船舶结构的纵向强度。最后,本文还提出了具有缺口的船舶结构在损伤演化过程中的扭转强度。

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图:船舶结构几何模型的近场动力学离散(为了方便可视化,隐藏了x_3=H和x_2=B/2处的板)。

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图: 施加M_2=2.05x10^5Nm后,第1200加载步的损伤云图(变形构型的位移放大了100倍,移除了刚性板便于可视化)。

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图:施加M_2=8.53x10^4Nm后,第1200加载步船舶结构的最终损伤云图:(a)三维模型,(b) x^3<=0.6m的材料点模型(变形构型的位移放大了100倍,移除了刚性板便于可视化)。




文二:

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https://doi.org/10.1007/s00466-020-01846-w

一种含原子尺度信息的乘积型超弹塑性损伤模型用于高压致密化石英玻璃

为了研究高压致密化的石英玻璃,本文提出了一种含原子尺度信息的本构模型,该模型的建立基于乘积型超弹塑性并考虑了损伤。在原子尺度上,首先采用熔融急冷法构建了非晶态二氧化硅的分子动力学代表体积元。本文在分子动力学框架下,研究了代表体积元在不同压力和应变率水平下的变形响应。体积压缩模拟结果表明:在高于8GPa的压力下非晶态二氧化硅会发生不可逆的致密化,而耦合压缩剪切试验表明,在足够大的剪切变形下,非晶态二氧化硅会发生屈服行为。此外,还观察到了非晶态二氧化硅致密化/屈服行为的速率依赖性。本文基于分子动力学模拟得到的数据,提出了一种新的考虑反常致密化行为的连续基乘积型超弹塑性损伤模型,并利用多项式回归和深度学习技术进行了参数化。弹塑性模型仅获得了“完美”非晶态二氧化硅的致密化行为,但不考虑“缺陷”引起的损伤演化。为了传递损伤动态演化,引入了控制屈服面收缩的塑性损伤变量,并以类似于JH-2(修正的Johnson-Holmquist损伤)模型的方式集成到弹塑性模型中。为了提高冲击模拟的计算效率,将弹塑性损伤耦合模型转化为基于非常规态型近场动力学模型。本文表明,已开发的近场动力学模型能够再现在分子动力学模拟中发现的感兴趣的粗尺度量,并且该模型还能够在组件级进行模拟。最后,利用石英玻璃靶弹丸超高速撞击仿真有限的实验结果,验证了所提出的含原子尺度信息的乘积型超弹塑性损伤模型。

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图:(a)数值模拟设置,单位米,(b)玻璃的抗拉刚度遵循威布尔分布。

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图:钢弹丸冲击二氧化硅表面引起的损伤扩展,左:实验结果,右:数值模拟结果。

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图:随时间变化的损伤扩展的前视图。




文三:

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https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.105962

采用实验和数值方法研究弯曲和面内剪荷载下CFRP/HNT层合板的损伤机理

进行该研究的目的是通过使用声发射、数字图像相关、红外热成像、断口和称为近场动力学的非局部无网格数值分析,深入地研究纳米管在纤维增强聚合物复合材料(CFRP)中变形机理和损伤演化背后的物理机制,制备含有和不含埃洛石纳米管(HNT)的碳纤维层合板,并在弯曲和面内剪切载荷下进行了测试。在对声发射数据的累积计数进行的深度分析中,发现添加HNT主要引发了与基体开裂相关的破坏机制。数字图像相关和红外热成像分析清楚地证明了纳米管通过阻滞裂纹扩展或转移其路径来防止微裂纹的聚集。断口分析表明,尽管添加HNT引发了基体中的微裂纹,但却可以使界面强度得以提升。通过进行近场动力学分析,其结果有力支持了HNT团簇对裂纹扩展,裂纹尖端开裂以及裂纹聚集具有阻碍作用的论断。

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图:二维近场动力学离散模型。

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图:近场动力学离散模型的力密度矢量和变形态。

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图:SEM显微照片显示了在弯曲载荷下失效的(a和c)CFRP与(b和d)CFRP / HNT复合材料的横截面。

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图:(a)在面内剪切载荷下整体失效后试样的被检查平面示意图;(b)在被检查平面上的编织碳纤维的方向;(c)CFRP试样的SEM显微照片;(d)CFRP/HNT的SEM显微照片,(e)CFRP试样的裂纹扩展示意图,(f)CFRP/HNT试样的裂纹扩展示意图。

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图:V型开口板的几何特性和边界条件,(a)不含裂纹,(b)含有三个随机的微裂纹。

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图:具有随机微裂纹的带孔和不带孔板在中心位置处600、700、800时间步后的裂纹扩展。




文四:

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https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113075

动态断裂的并发多尺度研究

动态断裂是一种复杂的多尺度物理现象。该过程发生在多个时间和长度尺度上。宏观行为,例如裂纹失稳和延性\脆性转变,是一系列微观事件(例如动态位错运动和纳米孔洞的形成)的组合与结果。另一方面,连续应力场也强烈地影响着原子键断裂和位错运动。因此,描述所谓的多尺度过程需要对基本物理学有所了解。在该工作中,作者们采用了先前提出的多尺度微态分子动力学(MMMD)和近场动力学之间的并发多尺度方法来模拟动态断裂。为了实现普适的且自适应的信息转换,尤其是对于异构信息,这种耦合利用了最近发展的MMMD,它具有固有的多尺度结构,可以充当来自不同尺度的信息转换器。该工作的主要创新点为:(1)所提出的MMMD\近场动力学耦合是一种局部\非局部多尺度方法;(2)粗尺度的近场动力学模型是基于经验成分最少的柯西-伯恩材料模型建立的;(3)多尺度方法在所有尺度上都具有一致的动态断裂准则。作者们还研究了在不同加载速率下的裂纹成核,分叉和扩展,重点是脆性/延性转变以及通过原子-连续介质界面的裂纹扩展,给出并讨论了不同加载速率下成核,分叉和裂纹速度的定量结果。

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图:计算模型的示意图。原子区域被连续区域包围,并且界面(过渡区)在区域之间。将应变率作为边界条件应用于模型的顶面和底面。预定义的裂纹在左半平面上。左上图是裂纹尖端区域的特写。右上图是界面周围区域的特写。

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图:应变率ε=0.00048ps^{-1}时原子区的动态裂纹扩展,云图根据势能着色。

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图:应变率ε=0.00048ps^{-1}时穿过原子/连续区域交界面的裂纹扩展过程,云图根据势能着色。




文五:

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https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113101

饱和多孔介质中水力压裂扩展的混合有限元和近场动力学模拟

本文提出了一种模拟饱和多孔介质中水力压裂扩展的混合建模方法:常规态型近场动力学用于描述固相的行为,包括变形和裂纹扩展,而有限元用于描述流体流动并评估孔隙压力。采用经典的比奥孔隙弹性理论。首先通过将两个算例的结果与其精确解比较,验证了方法的有效性。随后,提出并解决了一系列受压力和流体驱动的裂纹扩展算例。在流体驱动裂纹扩展算例中观察到了流体压力振荡现象,这与以往的实验和数值结果一致。所展示的所有算例都证明了该方法在解决饱和多孔介质中水力压裂扩展问题的能力。

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图:三个时刻的裂纹扩展和压力分布变化。

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图:不同注射率下最后一步的裂纹模式和压力分布。




文六:

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http://www.cqvip.com/qk/96219x/202001/7101241860.html

盾构施工对临近地层影响的近场动力学分析

针对传统的有限元方法在面对不连续情况时会出现奇异性这一问题,本文采用基于非局部作用思想建模的近场动力学方法研究了地铁盾构开挖问题,并完善体积修正公式,建立能够考虑隧道开挖过程中衬砌、注浆层作用的近场动力学模型。结果表明:近场动力学解与有限元解在临近地层位移的影响上呈现出相同变化趋势;盾构隧道开挖引起隧道上方土体沉降,下方土体隆起,左右两侧土体向隧道中心方向移动。近场动力学结果与现场实测结果的对比分析表明近场动力学方法在盾构施工模拟中具有较高的精度,在隧道工程施工的数值模拟研究领域具有应用前景。

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图:盾构隧道开挖模型原始效果图。

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图:X 方向位移云图




文七:

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https://doi.org/10.1017/jmech.2020.12

冲击作用下含初始裂纹梁的近场动力学分析

裂纹尖端的特定条件和材料的不连续性是使用传统方法分析裂纹扩展所面临的挑战。近年来,基于非局部力学发展了一种新方法,即近场动力学理论,它改进了这类结构的分析过程。在该理论中,问题的要点在于位移或位移导数不连续的物质点与其他物质点没有区别。本文利用键型近场动力学理论研究了低速冲击下具有初始裂纹的梁的裂纹扩展速率和裂纹扩展路径。考虑了由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和钢合金制成两种梁以及不同的(冲击)弹丸形状。研究了冲击速度和断裂韧性的影响,并与其他研究结果进行了对比验证。成功地预测了裂纹路径,捕捉到了裂纹的分叉。结果证实了近场动力学理论在冲击问题中模拟裂纹扩展的能力。

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图:裂纹梁和球形弹丸。

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图:冲击速度为1m/s时的裂纹扩展路径,(a)近场动力学模拟结果,(b)实验结果。


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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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