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近场动力学最新上线的文章快报:2021年8月(上)

已有 2238 次阅读 2022-2-5 13:01 |系统分类:科研笔记

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2021年8月上期近场动力学领域有五篇新文章上线,其中文三是本期的封面文章,采用考虑了非局部相互作用的近场动力学模型研究了粘在弹性基底的硬质薄膜被压缩时所产生的起皱失稳现象。采用近场动力学模型对薄膜起皱进行模拟的研究目前还不多见,敬请关注


文一:

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https://doi.org/10.1016/j.apor.2021.102777

基于并行方案中扩展粒子方法对两类不同船艏形状破冰过程的数值研究

船艏形状是决定破冰船破冰性能最关键的因素。因此,针对两种不同船艏类型的破冰过程机理研究对于破冰船船型的初步设计是必要的。本文基于一种无网格方法——近场动力学,提出了冰-船相互作用模型,并在其中嵌入了几何数学的概念,以检测物质点和船体的接触。此外,本文还基于MPI求解器建立了一种接触识别算法,以提升所开发数值方法的计算效率。本文利用上述模型对两种典型破冰艏——传统破冰艏和非传统破冰艏匀速破层冰的过程进行了数值研究,并将文中传统破冰艏的结果和实验结果进行对比,验证了所提出模型模拟的精确性。随后,本文将两种不同形状破冰艏的破冰模式和破冰载荷进行了对比和分析。结果表明:尽管不同的破冰船在域弯曲失效模式中有着共同点,本文所开发的冰-船相互作用模型仍可有效地预测不同破冰船破冰过程的差异,诸如冰的损伤模式、冰载荷及冰通道。同时,该研究显著地提高了计算效率,并为破冰艏的设计提供了理论指导。

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图:两破冰船模型,船体上的线为吃水线。


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图:传统船艏的破冰通道(顶视图)。


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图:非传统船艏的破冰通道(顶视图)。




文二:

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https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-WSDD202102005.htm

基于单元式近场动力学方法的功能梯度材料弹塑性模型

本文提出了一种基于单元式近场动力学方法的功能梯度材料弹塑性模型,采用增量法求解弹塑性模型。由于单元式近场动力学模型属于非局部理论,在边界附近计算内力时存在较大误差,而模型的收敛采用内力与外力平衡来判别。如果在边界采用近场动力学建模,模型收敛速度很慢,甚至会发生发散的情况。为了解决这一问题,在施加外荷载的边界区域采用有限单元法建模。数值算例表明,该模型在求解均质材料以及功能梯度材料弹塑性问题时有很高的精度。此外,该模型可以方便地处理弹塑性裂纹扩展问题。

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图:功能梯度材料试件示意图(单位:mm)。


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图:模型区域划分。


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图:近场动力学模型与有限元模型结果。




文三:

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https://doi.org/10.1007/s00466-021-02057-7

双层系统中非局部起皱失稳的近场动力学应用

当粘在弹性基底的硬质薄膜被压缩时,会产生起皱失稳。抛开其压缩的本质,该现象已被基于传统连续介质力学的局部模型广泛研究。然而,该现象的实验行为尚未完全了解,非局部效应的影响在很大程度上仍未得到探索。为此,本文通过对双层系统中的非局部失稳起皱进行研究,以从计算的角度填补这一空白。作为连续介质的非局部公式,近场动力学可以充当模拟非局部材料行为的工具。本文提出了一种使用特征值分析的方法,以精确预测临界条件。当非局部参数——近场半径趋近于0时,非局部解和局部解近似。结果表明,材料模型的非局部水平对主要起皱特征具有定量的影响,而大多数趋势在定性上与局部解析解预测的一致。然而,(该结果)揭示了薄膜厚度和临界压缩之间的关系,这在局部理论中并不存在。此外,本文还通过引入界面加权因子来建立一种确定跨材料界面的近场动力学材料参数的方法。本文首次使用PD将非局部观点引入到双层起皱的分析,并表明该方法可以显著提升我们对起皱现象的认知。

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图:实验观察到的双层中起皱的形成,屈曲是通过在预拉伸基材的顶部覆盖未拉伸薄膜,然后逐渐释放基材中的预拉伸变形而引起的,很明显,起皱模式朝向边界发生变化。


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图:不同影响域半径δ计算的起皱模式与CCM结果对比。




文四:

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https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2021.104857

Drucker-Prager准则和非关联流动法则塑性变形的二维常规态型近场动力学模型

岩土材料的塑性行为往往遵循非关联流动法则。本文基于Drucker-Prager(D-P)准则和非关联流动法则提出了一个包含剪切变形的二维常规态型近场动力学增量模型,来研究岩石材料的塑性行为。首先建立了平面弹性问题的近场动力学(PD)应变能密度的增量形式。作者们通过增量形式的PD应变能密度与连续介质力学中增量形式应变能密度的等效定义了材料参数。由此推导了平面弹性情况下含剪切变形的OSB-PD理论的PD力密度。本文建立了传统连续介质力学和PD中增量形式的应力张量第二不变量dJ_2与应力张量第一不变量函数dI_1之间的关系,并在近场动力学框架下给出了Drucker-Prager屈服面的表达式。为了避免过多的塑性膨胀,作者们提出了非关联流动法则,该法则使用各向同性和偏量的塑性伸长率来描述键的塑性行为。同时给出了所提PD模型的等效应力和等效塑性应变。本文中的数值算例包括圆形开口岩石,并且将PD计算结果与有限元结果或解析解进行对比。这些数值模拟验证了所提模型用于预测岩石材料弹塑性行为的有效性。

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图:含单一预置裂纹的平面应力板受到压缩作用。


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图:冯米塞斯应力和等效塑性应变云图,有限元(左),PD(右)。




文五:

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https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2021.103081

一种混凝土细观模型在模拟裂纹扩展中的应用

材料破坏的近场动力学模型可以采用简单的键破坏准则自发的模拟裂纹的成核和扩展。结合其多尺度的优势,可以从细观尺度模拟混凝土的断裂特性。因此,本文基于MATLAB-ABAQUS协同模拟方法,通过球形增长模型建立了一种细观计算模型。同时,作者们结合混凝土的塑性软化特性,建立了一种准塑性的损伤断裂本构模型。最后,作者们通过本文所提出的模型模拟了I型断裂实验和两个典型的混合模式断裂实验,并且采用了PD-FEM方法来减少计算量,即将断裂区域设置为PD模型而其他区域设置为FEM模型。结果显示不同算例的裂纹萌生与扩展可以被本计算模型很好的描述。而且,本文所提材料模型可以很好的反映出混凝土的综合力学行为,算例试样的断裂路径与实验吻合较好。对于I-II(拉伸剪切)混合断裂实验的模拟,不同小剪切载荷的算例的裂纹路径明显不同,且通过算例的模拟可以预测出裂纹路径的范围。此外,对于大剪切载荷的算例,不同算例的裂纹路径和宏观力学行为是相近的。

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图:L形板试验的试验设置和计算模型(单位:mm)。


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图:L形板试验的计算云图。


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图:PD计算与L形板试验的结果对比。


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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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