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2019年10月下期近场动力学领域有七篇新文章上线，其中六篇文章从不同的材料与工程应用领域对近场动力学的建模和模拟方法进行了研究与拓展，包括非饱和土的干缩裂缝、功能梯度材料涂层裂纹、水化水泥损伤、金属纳米颗粒增韧氧化玻璃、钢筋混凝土梁动态监测以及轮轨滚动接触疲劳裂纹等。下面我们依次简要介绍：

文一：

https://doi.org/10.3390/geosciences9100428

通过一个非局部数学理论对非饱和土的干缩裂缝进行耦合分析

非饱和土中出现干燥裂缝的不连续现象，破坏了非饱和土中土木基础结构的完整性。由于此类不连续点的奇异性，建立干缩裂缝的数学模型具有一定的挑战性。在本文中，我们应用一个耦合的非局部近场动力学孔隙弹性框架来模拟非饱和土中的干燥开裂。土壤骨架采用非局部近场动力学弹性固体模型。利用近场动力学来等价广义达西定律模拟非饱和土体中流体的流动。开裂是由材料点之间的临界拉伸准则和能量准则决定的。本文分别对一维裂隙和二维裂隙网络中土体杆和薄土体圆盘中的干缩裂缝进行了数值模拟。数值结果表明，所提出的非局部数学框架是一种有前景的非饱和土干缩裂缝建模方法。

图：土壤样品六个加载步下的损伤云图快照，(a) Step 25; (b) Step 50;(c) Step 75; (d) Step 100; (e) Step 150; (f) Step 200，为了显示效果，将变形放大了五倍。

文二：

http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10459-1019115346.htm

功能梯度材料涂层与界面层动态裂纹的近场动力学分析

功能梯度材料（Functionally Graded Materials，简称FGM）是一种新型的复合材料，通过逐层制造工艺渐进地改变结构组件内的材料组织以实现预期的功能。因FGM的渐变材料特性以及动态破坏涉及的不连续问题，依赖传统经典连续介质理论的数值方法在研究相关问题时存在一定的局限性。基于非局部理论基础的近场动力学理论(peridynamics，PD)，对于解决非连续性问题具有一定优势。本文采用“键”基近场动力学理论，研究FGM作为涂层和界面层的动态断裂问题。提出了梯度涂层和界面层与基底材料连接附近的“键”基近场动力学模型的参数表达关系，采用“双键”效应的优化方法来进一步处理渐变材料性能与均质基底材料连接附近处的应力关系，并对其进行收敛性分析验证。基于“双键”型近场动力学模型，分析了含裂纹的FGM涂层结构的动态断裂行为。分析了FGM作为材料界面层时在四点弯曲作用下含裂纹试件的动态破坏问题。分析了FGM作为界面层时分别在上下表面拉应力作用下及左侧冲击载荷作用下含裂纹试件的动态扩展行为。

图：在 t = 100 μs 时不同的 E2/E1比值的 FGM 材料涂层试件所对应的应变能密度云图，（a）0.5 倍；（b）2.5 倍；（c）5 倍；（d）10 倍。

文三：

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117053

微尺度近场动力学模拟水化水泥浆受拉损伤

本文主要探究了水泥浆在微尺度上的力学属性与裂纹扩展。作者们首次引入近场动力学来求解水泥浆微尺度结构上的不连续性问题，例如裂纹的萌生与扩展问题。本文采用近场动力学方法与数值模拟微模型，对微观尺度上影响水化水泥力学属性以及微裂纹扩展的多个参数进行了研究，包括载荷方向、龄期与水/水泥混合率大小等。结果表明，随着应变增大，微裂纹的萌生与扩展主要位于外部水化产物部分，也就是微结构整体固体骨架中最薄弱之处；微裂纹的尺寸与数量均随拉伸不断增大，这也导致水化水泥杨氏模量的降低；微观看来，水化水泥可以视为各向同性材料；另外，水/水泥混合率的降低与龄期（或水化程度）的增长将引起水泥浆的硬化、抗拉强度上升与微裂纹的减少。数值模拟得到的抗拉强度和杨氏模量与现有的模拟结果和实验数据均十分吻合，证明了近场动力学方法在水泥浆微尺度研究中的可行性。

图：不同水/水泥混合率（ω/c）与水化度下纯水泥浆体微结构的三维损伤图：（a）ω/c=0.4，养护期3天（水化度=0.51），(b) ω/c=0.4，养护期28天（水化度=0.7），（c）ω/c=0.4, 养护期60天（水化度=0.72），（d）ω/c=0.3，养护期28天（水化度=0.61），（e）ω/c=0.3, 养护期60天（水化度=0.73），红球、蓝球、黄球、空心球分别代表未水化水泥、内水化产物、外水化产物、孔隙。

图：水泥浆体受z方向拉伸载荷的微裂纹传播三维示意图。

文四：

http://hdl.handle.net/11693/52678

开发非常规态型近场动力学求解器

为确保结构稳定性，损伤预测在工程结构设计过程中至关重要。经验方法的局限性与实验分析的高成本促进了数值方法的发展，以预测指定载荷下裂纹的萌生与扩展。虽然现在已有许多种失效预测方法，但它们的公式多依赖于带空间导数的偏微分方程。这也意味着这些方法都需要一些特殊处理才能准确模拟潜在的失效机理。为突破这种局限性，出现了一种新的非局部连续体理论——近场动力学。与其他方法相反，近场动力学避免了空间导数而采用了一种积分微分方程表达，因此能够应用于非连续结构的分析。本文基于近场动力学公式的一个特殊变形开发了响应的求解器，以计算二维/三维结构在特定载荷下的力学响应。本程序用于求解和损伤萌生与扩展相关的准静态问题。同时，作者们还证明了近场动力学能够模拟局部超弹性变形。最后本文还重述了程序的整体架构，并讨论了本文工作的潜在的发展方向。

图：拉伸载荷下的立方体。

文五：

https://doi.org/10.1038/s41598-019-51733-5

金属纳米粒子植入硅酸钠玻璃提高延性以增韧

本文提出了一种新的框架来增韧脆性氧化玻璃——通过植入一种不同力学性能的次级材料以提高脆性氧化玻璃的延性。为此，使用电浮法将铜金属纳米颗粒植入到商业钠钙硅玻璃的次表层。结果表明，在普通回火条件下，注入金属纳米粒子玻璃开始出现裂纹的荷载与化学强化玻璃相同。从截面上观察玻璃的裂纹扩展和应力分布，发现由于应力分散和应力松弛，裂纹扩展在金属纳米颗粒注入层内即停止。结果表明：注入铜的玻璃硬度降低，韧性提高。通过对含铜纳米颗粒非晶二氧化硅模型进行分子动力学计算，利用近场动力学断裂模拟对表面由氧化铜玻璃构成的玻璃板模型进行玻璃压痕模拟，从理论上研究了复合玻璃的增韧机理。通过一系列的数值模拟，很好地解释了本文增强韧性的实验观察现象。

图：近场动力学计算的压痕后的材料损伤，钠钙硅玻璃如图（a）所示，植入纳米粒子玻璃的上表面如图（b）所示，颜色条描述了从0(蓝色)到1(红色)的材料损伤，损伤值为0.4等价于裂纹的形成。为了更好地展示损伤，快照是在每个表面的裂缝充分扩展时截取的。

文六：

http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GWCL201908012.htm

基于STM32处理器的桥梁动态监测系统设计

本文针对无线动态监测需求，采用STM32处理器和Visual Studio软件平台设计了基于ZigBee技术的桥梁无线动态监测系统。通过多路传感器采集压力、温度等信号并传入到STM32处理器进行处理分析，并通过无线收发模块传输到上位机。采用Visual Studio软件平台设计开发了上位机监控系统，完成了整个动态监测系统的设计。通过实验测试结果表明，系统可以较为精确的监测桥梁的压力、温度等信息，后续通过近场动力学理论对桥梁结构破坏进行分析，为桥梁的安全提供可靠地预测，有较好的实用价值。

图：钢筋混凝土工字梁结构模型。

图：工字梁表面断裂图。

文七：

http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-MECH201809010.htm

轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展路径研究

本文基于近场动力学理论方法，通过建立轮轨滚动接触二维模型，研究轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展情况。计算模型的研究焦点集中在裂纹的扩展路径，并定性地研究不同的参数，如初始裂纹角、初始裂纹长度和表面摩擦系数对裂纹扩展路径的影响。分析结果表明：小角度裂纹转向表面，表现出剥落趋势，而较大的初始角度裂纹继续向下扩展到钢轨内部，更易造成钢轨的整体断裂；长度1.5 mm和 3 mm裂纹扩展的结果非常相似，即初始裂纹长度对实际裂纹路径影响相当小；对于摩擦系数较低的情况，与具有较高摩擦系数的情况相比，裂纹较早地转向表面。

图：在不同状态下不同初始角度的裂纹路径。

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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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