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2020年1月下期近场动力学领域有五篇新文章上线。这些文章通过改进近场动力学模型以应对实际的工程问题，包括模拟注入纳米颗粒修补用于封存二氧化碳的水泥开裂问题，玻璃态聚合物的峰后软化问题以及冲击载荷下混凝土的率相关动态损伤问题等。除此之外，另两篇文章分别利用数字图像相关的虚场法确定了近场动力学的本构参数，并利用经典应力张量发展了新的近场动力学破坏准则。下面我们依次简要介绍：

文一：

https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2020.102955

多物理场建模以模拟注入纳米颗粒修复二氧化碳经裂缝泄露的效果

二氧化碳封存的潜在风险之一是二氧化碳的泄露。被封存的二氧化碳如果泄露会污染地下水、对现有的生态系统构成潜在的威胁。常见的泄漏问题是由施加于水泥上的环境因素引发井眼内水泥中的原生裂缝开裂或不连续发生引起的。将纳米颗粒注入原生裂缝是延缓用于封存二氧化碳的水泥上裂缝扩展的最新方案之一。因为在实验室中验证新技术的可行性较为困难，所以作者们采用数值模拟加以检验。作者们在LS-Dyna软件中构建了一种耦合ALE（任意拉格朗日-欧拉）- DEM（离散单元）与近场动力学的建模策略以研究二氧化碳气体流动、天然流体（例如盐水）、颗粒团簇和水泥裂缝之间复杂的相互作用。数值模拟结果表明，纳米颗粒的注入可以有效的减少施加于裂缝表面的压力。相应地，和没有纳米颗粒作为流体流动加压的情况相比，裂纹尖端处潜在的裂纹扩展风险将有所降低。该结果证实了所提出的注射纳米颗粒技术的有效性。最终，运用该建模方法检测了在不同的裂缝几何形貌和不同的二氧化碳储层压力条件下填充颗粒对缓解裂缝扩展的效果。这些结果也显示出注入纳米颗粒可以成功地减缓裂缝的扩展。

图：用于封闭二氧化碳的水泥结构失效模型示意图。

图：数值模型的载荷和边界条件。

图：颗粒簇图：（a）超临界CO2渗透前，（b）超临界CO2渗透后。

图：模型中裂纹区的压力梯度对比：(a)无填充颗粒，(b)有填充颗粒。

文二：

https://doi.org/10.1007/s42102-019-00020-y

用于玻璃态聚合物的非局部有限变形Gurson模型的半隐式数值方法与有限元分析

由于缺少长度尺度从而导致采用有限元分析模拟一些热塑性树脂的峰后应变软化所引起的局部化变形具有塑性流动不稳定性、虚假能量耗散以及数值解的网格依赖性。本文将含有长度尺度的非局部积分理论引入到Gurson模型，以捕获拟静态载荷下玻璃态聚合物的客观孔洞演化和剪切带发生。作者们发展了含有限变形Gurson模型的非局部数值方法，其中通过半隐式方法对孔洞体积分数进行非局部平均，从而提出了共旋构造中的非局部隐式应力回归算法和非局部一致切刚度。该数值方法通过结合有限元软件ABAQUS-UMAT，USDFLD和UEXTERNALDB子程序实现。本文针对平面拉伸问题，通过研究孔洞长大、剪切带的演化和载荷响应，展示出所提出的非局部数值方法能很好地避免网格依赖性。

图：（a）几何模型，（b）三种不同网格尺寸的数值模型。

图：采用中间网格尺寸的非局部有限元法，在拉伸应变分别为1.49%、1.54%、2.27%和4.0%的情况下计算所得孔隙体积分数云图（VVF表示空隙体积分数）。

文三：

https://doi.org/10.1007/s42102-019-00025-7

常规态型近场动力学框架下利用虚场法确定线弹性力学本构参数

本文使用了一种基于常规态型近场动力学框架的虚场法来确定材料的性能。该方法的核心方程由针对二维线弹性各向同性材料在常规态型近场动力学下的虚功原理公式推导出来。本文以三点弯曲实验和任意选取的两个独立的虚场为例进行研究，利用有限元分析模拟的位移场验证了虚场法的数值有效性，并利用该位移场确定了线弹性材料性质与所输入的有限元模型的材料性质进行比较，展示了该方法的鲁棒性。数值部分还研究了噪声分析和样本边缘缺失位移场对模拟数字图像相关限制的影响。本研究工作着重于破坏前的性质以证明该方法的可行性，并且本研究提供了一种新的工具可以在近场动力学中使用全场测量，且由于无需计算位移场，因此也减少了该近场动力学的计算时间。未来的工作将涉及破坏特性，这也是近场动力学的主要优势所在。

图：三点式弯曲装置，尺寸为L×W×t 的梁由两个间距为S 的支撑物简单支撑，并受外力F 的作用。坐标原点位于试件的底部中心。

图：模拟位移场u_{FEA}的两个位移分量，(a)u_1, (b)u_2。

文四：

https://doi.org/10.1177/1056789519901162

冲击荷载作用下混凝土的率相关动态损伤近场动力学模型

为了研究混凝土材料和结构的动力学行为与冲击损伤破坏特性，本文在非局部近场动力学理论的框架下重新构造了一个动力损伤模型。引入了与经典连续介质力学中的应变率等效的材料键的拉伸率，提出了描述混凝土材料动态损伤与破坏的率相关近场动力学模型，同时考虑了键的动态破坏和不同拉伸率下损伤演化的率敏感性。作者们在近场动力学模型中建立了混凝土材料的拉伸速率和强度、拉伸与压缩破坏之间的关系。为了验证所提出的混凝土破坏与动态损伤模型，研究了几个模拟混凝土试件混合断裂的典型例子。获得了不同情况下试件的破坏模式、裂纹扩展路径和裂纹扩展速度，与实验结果和现有数值结果吻合较好。模型验证后，进一步研究了已有裂缝的数量和长度对混凝土构件动态破坏的影响。

图：混凝土 L 型梁。

图：不同加载速率下的裂纹扩展和分叉。左：试验结果，中：扩展有限元模拟结果，右：近场动力学模拟结果；（a）350mm/s,（b）740mm/s,（c）2400mm/s。

文五：

https://doi.org/10.3390/proceedings2019039023

一种新的基于应力张量的近场动力学破坏准则

最近，近场动力学理论被证明是模拟结构和复合材料断裂与碎裂相关复杂现象的通用工具。本文引入了一个基于经典应力张量的新型破坏准则，该准则从文献里所提出的方法中得到启发。与经典的基于临界拉伸的破坏准则不同，本文的方法考虑了储存在键中的总弹性能量，从而可以更精确地预测涉及混合模式I-II型断裂的问题。为了证明所提出的失效准则的有效性，作者们对一个基准断裂问题进行了分析，分析结果与实验结果和其他数值方法得到的数值结果吻合较好。

图：试验设置。

图：变形梁的损伤云图。

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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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