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2020年1月中期近场动力学领域有五篇新文章上线。本期内容都集中于岩石和土木工程领域的近场动力学建模与模拟，其中包括热-力全耦合的常规态型近场动力学建模与模拟、力-扩散耦合的近场动力学模型用于氯离子渗透模拟以及考虑了短程斥力的改进型近场动力学模型用于隧道开挖问题。下面我们依次简要介绍：

文一：

https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103414

含单裂缝花岗岩经热循环处理后断裂力学行为的近场动力学模拟

本研究采用（热-力）全耦合的常规态型近场动力学方法，研究了花岗岩经热循环处理后的热-力学断裂行为。首先，通过瞬态热传导和裂纹扩展两个算例对数值收敛性进行了验证，并对仿真参数进行了校核。在此基础上，本文提出了一种能精确反映岩石中组份特性与相应参数的方法以模拟岩石材料的非均质性，并进一步模拟了在热循环处理下（红外辐射加热阶段、恒温阶段和自然冷却阶段）不同组份由于不兼容的膨胀性所引起的花岗岩热致微开裂行为。最终，本文针对含各种倾斜角度预裂缝的花岗岩材料建立了单轴压缩热循环数值模型，并讨论了减弱由热冲击引起意外失效的方法。系统研究了温度和裂缝倾角对应力应变响应及裂纹演化过程的影响，讨论和总结了裂缝萌生、扩展和合并模式的相应特征。

图：岩石表面与周围流体发生对流热交换: (a) GCTSRTX-4000, (b)加载室, (c)施加对流边界层。

图：数值模型：(a)含有单一裂缝的花岗岩标本，(b)矿物质分布。

图：数值与实验结果的最终破坏模式对比（室温下），色条表示损伤程度。

文二：

https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2019.12.016

用近场动力学与有限元方法的混合模型分析静态弹性变形和脆性断裂

本文提出了一种新的基于隐式方法的近场动力学与有限元方法的混合模型，该方法取近场动力学在处理不连续问题方面的优点以及有限元方法计算效率高的优点。采用有限元法对无破坏区域进行了数值模拟，并将改进的微弹脆性近场动力学模型（PMB）用于可能有材料失效的区域。本文引入杆单元以连接有限元子域和近场动力学子域。通过一些实例说明了该方法的有效性。利用该混合模型对二维杆件和悬臂梁的位移进行了理论分析并与有限元分析结果进行了对比。对板的裂纹交叉进行了数值模拟，并与其它方法进行了比较。对三点支撑的I型梁弯曲断裂的数值预测结果与实验结果吻合较好。

图：平板的几何形状和子域划分。

图：平板的裂纹扩展。

图：使用多维虚内键模型模拟所得结果平板的裂纹扩展。

文三：

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118021

力-扩散近场动力学模型应用于荷载作用下氯离子渗透混凝土的细尺度模拟

本文提出了一种力-扩散近场动力学耦合模型以模拟细观尺度上氯离子在饱和混凝土中的渗透。本文在有限元的架构下执行近场动力学模型，并用杆单元来代替近场动力学中的键。本耦合模型可以同时研究混凝土在荷载作用下的损伤演化和裂缝扩展，以及由于开裂而不断更新的扩散率导致氯离子在混凝土中的渗透。在每个耦合步骤中，通过求解平衡方程进行拟静态力学分析，对氯离子扩散采用向前差分法。通过数值算例，验证了所提出的局部近场动力学模型在解决力-扩散问题方面的有效性。数值计算结果与试验结果吻合较好，且表明当宽度阀值达到后，裂缝的宽度和深度影响着氯离子的扩散率。此外，在高压缩、拉伸和弯曲应力水平下，氯离子扩散率随应力水平的增加而增加。

图：混凝土试件的细观结构和边界条件，黑色细箭头和红色粗箭头分别表示氯离子渗透方向和载荷方向。

图：损伤云图和氯离子浓度分布。(a), (b), (c)的单位分别是1, %, %, 白色圆圈表示集料。

文四：

https://doi.org/10.1016/j.tust.2020.103289

隧道开挖过程中围岩破坏特征的近场动力学模拟

本文采用改进的近场动力学方法对隧道开挖过程中围岩稳定性进行了分析。作者们将短程斥力引入到近场动力学运动方程中以模拟岩石材料的拉伸和压缩破坏特性。为了模拟隧道开挖过程，提出了物质点休眠法。通过模拟含高应力差圆形断面隧道开挖过程中开挖损伤区(EDZ)的分布特征，揭示了EDZ的分布位置与最大主应力方向之间的关系。在垂直于最大主应力方向的隧道外围形成了V形缺口。所预测的EDZ分布特征与前人的研究结果一致。隧道开挖后的围岩位移场与有限元模拟结果吻合较好。仿真结果表明，该方法不仅具有良好的稳定性，而且具有较高的计算效率。通过分析不同埋深、不同侧压力系数、不同开挖方式、不同断面形状下围岩的变形、破坏和破坏特征，揭示了隧道开挖卸载引起围岩失稳的演化过程。为深埋隧道围岩支护方案的设计和优化提供参考。

图：马蹄形隧道断面模型的几何尺寸和边界条件。

图：围岩在不同埋深处的损伤和变形。

文五：

https://doi.org/10.16285/j.rsm.2018.1977

模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中，采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将 Mohr-Coulomb 准则和最大主应力准则引入非常规态型近场动力学理论中，分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非常规态型近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过 5 个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先，通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次，数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验，所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合，从而验证了该理论的有效性。然后，模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验，裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后，模拟了单轴压缩状态下，预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明，所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。

图：模型几何尺寸及载荷条件。

图：裂纹扩展过程。

图：模型最终破坏模式。

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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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