https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2021.103790

利用非局部方法预测金属基颗粒增强复合材料力学性能和断裂行为的研究

本文使用近场动力学构建无网格的复合材料模型，以预测金属基颗粒增强复合材料的力学响应。作者们分别考虑了不同颗粒形状和界面特性对复合材料的力学性能和断裂行为的影响。除数值结果（应力-应变关系）外，本研究还获得了模拟过程中应力状态和损伤等各种分布云图，以用于详细分析。结果表明，颗粒形状强烈影响应力集中状态，最终影响断裂性能。进一步，作者们发现通过改变粒子角度可能会改变主要破坏模式，可以相应地观察到两种断裂方式。此外，也可以通过调节界面强度来控制失效模式。当界面增强时，失效模式由界面脱粘逐渐转变为金属基体的延性断裂。

图：两种边长比颗粒的解析模型示意图：（a）颗粒的横纵边长比r_a>1，（b）颗粒的横纵边长比r_a<1。

图：不同颗粒边长比r_a的Al-SiC复合材料单胞的模拟结果，（a）-（c）颗粒的横纵边长比r_a=5，（d）-（f）颗粒的横纵边长比r_a=1/5，材料点根据应力状态和损伤参数φ着色，为了便于显示，（b）、（c）、（e）、（f）中的SiC颗粒用灰色着色。

文二：

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.511

脆性复合材料的冲击：近场动力学建模

陶瓷复合材料被用于诸如军工、航空、汽车、核能和太空探索等行业。在一些领域，它们代表着技术进步的源泉。这种材料经常承受极端载荷，如可变动态载荷和高温。近场动力学是最近形成的一种非局部的应力分析方法。该方法对脆性材料的分析很有用。本文研究了Al2O3/ZrO2复合材料平板的冲击模型。复合材料的两种材料相均采用脆性损伤模型。作者们重点讨论了冲击试样的损伤起始和分布。

图：（a）冲击模型的示意图，（b）微结构示例。

图：（a）所观察的截面点在所分析的微结构中的位置（尺寸x1.0E-04），（b）左下角的离散化细节。

图：板的横截面的损伤演化，冲击速度为10m/s，（a）A点，（b）B点。

文三：

https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2021.02.002

耦合边界元法和近场动力学用于二维弹性体中裂纹的建模

本文提出了一种基于边界元法（BEM）和近场动力学（PD）相结合的多尺度方法，用于对二维（2D）弹性体中的裂纹扩展问题进行建模。该方法的特点是充分利用BEM和PD的优点，提高了计算效率。根据结构的尺度和裂纹的位置，可以将考虑的区域分为非开裂区和开裂区。BEM用于非开裂区，而PD用于开裂区。这样可以将非开裂区的问题降低一个维度，从而提高建模效率。作者们通过对键伸长率进行泰勒级数展开建立了键型PD的刚度方程，并将其用于开裂区的模拟。PD方法可以自动模拟裂纹的萌生和扩展。通过在界面上的PD材料点处引入BEM节点，建立了共享节点的耦合模型。基于界面处位移的连续性和牵引力的平衡，通过合并来自每个区域（开裂区和非开裂区）的刚度矩阵和力矩阵，得到了一个组合的方程组。对于测试问题，作者们分析了二维弹性体在准静态载荷作用下的变形和裂纹扩展。数值结果清楚地表明了本文提出的耦合BEM和PD的方法对于裂纹问题的准确性和效率。

图：两边预置裂纹板。

图：第78计算步的位移云图和损伤云图。

图：不同计算步时，两边预置裂纹板的裂纹扩展过程。

文四：

https://doi.org/10.1007/s11831-021-09549-y

钢筋混凝土结构的近场动力学研究进展综述

混凝土是世界上使用最广泛的人造材料。钢筋混凝土，它是我们快速城市化建筑环境的关键推动力的一部分。然而，尽管该材料无处不在，但研究者们对其在剪切中的破坏行为仍然没有很好的理解。多年来，许多研究者们已经提出了很多不同的剪切模型，这些剪切模型通常是通过一系列的物理测试来进行验证的。但是，这些模型都不具有通用性，无法解释钢筋混凝土结构的所有可能类型和几何形状的力学行为。建立通用模型的主要困难是混凝土必须在拉伸中开裂，而在剪切时，这种开裂会迅速形成，从而导致脆性破坏。近场动力学（PD）是一种非局部理论，该理论中连续介质力学的平衡方程将被改写为积分形式，从而允许从公式中自然产生不连续性。一方面，这提供了给出一般具体模型的潜力。另一方面，用于混凝土结构的PD模型并未集中在钢筋的应用上。除此之外，还缺少评估给定模型的优缺点的可靠模型验证。本文的目的有两个：（1）评估涉及钢筋混凝土结构剪切破坏的基准测试；（2）回顾最新的PD理论及其在钢筋混凝土（RC）结构中的应用。作者们将详细研究这些模型，并提出基准测试，以证明PD模型模拟的准确性。

图：典型的四点弯测试。

图：卡尼剪切谷。

图：不同a/d比值下剪切破坏的可能类型。

文五：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113673

用于预测金属基颗粒增强复合材料动力响应的率相关近场动力学模型

为预测金属基颗粒增强复合材料的力学性能并重现其动态断裂行为，本文使用近场动力学（PD）理论构建了无网格复合材料模型。在此基础上，作者们提出了率相关PD模型并将其引入到了键型PD公式中。在该模型中，对经典的Johnson-Cook（JC）方程进行了修改，以表征非线性应变率对基体性能的影响。预测结果与实验结果之间的良好一致性验证了该本构模型的适用性。然后，作者们考虑了热失配强化机制，以更好地描述堆积夹杂物对复合材料中位错运动的强烈阻碍。之后，作者们将获得的本构模型应用于PD模拟中。作者们首先讨论了单颗粒模型，以揭示复合材料在不同应变速率载荷下的破坏过程中的损伤和破坏机理。结果表明，应变率会改变破坏模式，从而影响给定应变下的力学性能，包括延性和强度。进一步，作者们考虑了多颗粒模型，引入了一个不可忽略的因素，即粒子体积分数，并对其进行了系统的研究。

图：（a）单个粒子模型和（b）多粒子模型示意图。

图：不同应变率下Al-SiC样品的快照：（a）-（c）\dot{ε}=5000s^{-1}，（d）-（f）\dot{ε}=10000s^{-1}。材料点根据应力状态和损伤参数φ着色，（c）和（f）种的SiC颗粒显示为灰色。

图：沿x轴方向加载不同应变率条件下的颗粒体积分数为12.5%的Al-SiC试样模拟结果，SiC内的材料点根据损伤参数φ着色，基体显示为银灰色。

文六：

https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2021.104037

近场动力学微弹塑性本构模型及其在岩体破坏分析中的应用

在压缩过程中，岩石表现出峰后强度，这意味着传统的键型近场动力学的破坏准则不适用于岩石材料。近场动力学本构函数主要适用于均质材料和功能材料，但它们不能反映岩石峰后强度的特点。因此，基于近场动力学理论，作者们提出了一种考虑压缩载荷作用下岩体峰后阶段的微弹塑性本构模型，并考虑了岩峰后阶段的加载-卸载路径。该模型弥补了传统的近场动力学模型无法反映岩石峰后强度的缺点。考虑到力学性能的非线性是由岩石材料的异质性引起的，因此作者们在模型中采用了非均匀离散方法，这进一步提高了数值模拟的准确性。最后，作者们使用微弹塑性模型，在单轴压缩试验和单轴循环载荷试验中对岩石样本进行了数值模拟，同时分析了在单轴压缩下不同倾角的单个预制裂纹的扩展。结果显示数值模拟结果与实验结果吻合良好，这证明了新模型的准确性和优越性。

图：含单一缺陷的岩石试件的几何构型。

图：所提出数值方法得到的不同倾角预置裂缝的裂纹扩展路径并与实验结果对比。

文七：

https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.107601

具有纤维效应的工程水泥基复合材料的近场动力学建模

工程水泥基复合材料（ECC）的开裂过程涉及不连续性。为了解决这一难题，研究者们建立了基于近场动力学（PD）的ECC半离散模型。在本文中，作者们使用了改进的损伤系数修改了对力函数。该模型是通过对基体以及纤维与基体之间的相互作用进行建模而建立的。纤维和基体之间的相互作用以力的形式施加到材料点上。通过分析ECC板裂纹扩展的收敛性，可以获得合理的影响域尺寸和网格间距比。随后，作者们通过将ECC板的单轴拉伸模拟结果与相关实验结果进行比较，证明了PD模型的有效性。最后，作者们研究了预制裂纹位置和纤维体积分数对冲击载荷下动态断裂的影响。这项工作有助于预测ECC结构的裂纹扩展路径，这对指导工程实践非常重要。

图：模型的边界条件与几何尺寸。

图：试样的断裂图。

图：断裂的实验结果。

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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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