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近场动力学最新上线的文章快报:2021年5月(上)

已有 582 次阅读 2021-11-8 15:24 |系统分类:科研笔记

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2021年5月上期近场动力学领域有五篇新文章上线。本期可谓篇篇精彩:文一是关于爆炸引发岩石破坏的近场动力学建模,文二是二维颗粒柱坍塌过程的近场动力学模拟,文三针对含界面热阻的非局部热传导问题提出了嵌入非连续近场动力学模型,文四是考虑了加载速率的粘弹性微极近场动力学模型,文五针对混凝土材料动态拉伸问题建立了近场动力学模型并进行了模拟。下面我们依次简要介绍:


文一:

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https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104469

爆炸引发岩石破坏的近场动力学建模

本文提出了一种基于近场动力学的计算方法用于模拟爆炸引发的岩石破坏。作者们结合Johnson-Holmquist (JH2)本构模型提出了一种新的非常规态型近场动力学方法,以考虑爆炸载荷下岩石的压力依赖性、应变率效应和粘塑性。作者们基于JH2损伤模型和一个拉伸破坏模型来评估岩石中的破裂过程。前者评估与过度塑性应变有关的材料响应,后者基于考虑应变率影响的拉伸应力来衡量失效情况。本文通过将校正的拉格朗日近场动力学与Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程相结合来模拟爆炸中的引爆过程。本文进行了花岗岩的单孔爆破模拟,并与实验记录进行了比较。结果表明,所提方法可以很好地捕获钻孔周围的塑性材料失效以及径向和圆周方向的拉伸裂纹。进一步的敏感性研究表明,JH2模型中的原强度参数和材料的拉伸强度对所得的断裂模式有很大影响,因此应认真选择。本文所提计算方法为未来开发用于岩石爆炸模拟的多功能、多物理集成计算框架打下了牢靠的基础。

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图:近场动力学模型设置,模型由三种材料组成:中心的炸药,包裹炸药的铜管以及铜管外的岩石材料,选择A到G点进行后续分析,岩石材料的1~3区被用于评估裂纹密度。


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图:岩石单孔爆破的破坏过程模拟,(a)到(d)分别展示了4μs、20μs、40μs和60μs时断裂的表面形貌,(e)从算例的另一侧展示了60μs时的断裂形貌;(f)到(i)分别展示了4μs、20μs、40μs和60μs时失效材料点的内部形貌。


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图:实验中观察的断裂模式。




文二:

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https://doi.org/10.1017/jfm.2021.320

采用非局部近场动力学的无网格方法与μ(I)流变学结合的颗粒柱坍塌二维连续体建模

颗粒柱坍塌涉及复杂的颗粒流桥接初始和最终类固体状态,以及这中间多个状态的时空流动模式和之间的转换,包含了极大的自由表面变化。本文提出了一种非局部无网格数值方法来模拟这些流动并捕获从流动到停止的整个过程。本研究中,自由表面演化由无网格方法确定,而非局部近场动力学理论用于捕捉流动的阻滞。用于计算有效粘性和应力的本构关系则基于μ(I)流变学得到。作者们验证了非局部无网格方法模拟颗粒柱塌陷的可行性,探究了其中近场域和粒子距离大小的影响。本文最后使用非局部模型模拟了更多类型的颗粒柱状坍塌,与其他的类流体和类固体两种状态下自由表面和速度变化的数值结果和实验观测进行了对比。作者们还模拟了两个相邻颗粒柱坍塌之间的碰撞,并将坍塌柱材料之间的界面变化与实验观察结果进行了比较。非局部模拟能够反映出颗粒流中的内部流动特性。这些模拟结果表明,非局部无网格方法能够计算颗粒流中的自由表面、速度和界面变化。

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图:两个相邻坍塌柱碰撞的数值模型设置,(a)粒子流图,(b)实验测量的抬起四个板时板的底部位置。

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图:非局部无网格方法模拟的两坍塌柱碰撞在不同时间步的快照(虚线代表两坍塌柱的原始形状),(a)t=0.15s,(b)t=0.25s,(c)t=0.5s,(d)t=0.8s,(e)t=1.25s,(f)t=1.61s。




文三:

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https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121195

嵌入非连续近场动力学模型模拟界面热阻的非局部热传导

由不完全贴合界面引起的热阻与小尺度失效密切相关。本文基于近场动力学构建了非局部Kapitza热阻模型。作者们阐释了嵌入不连续性模型,以捕捉由界面热阻引起的温度跳跃条件。该模型继承了近场动力学的非局部性,也能够重现界面热阻的关键物理特征。为了克服近场动力学的效率劣势,本文针对瞬态解和稳态解给出了隐式求解算法。作者们还对各种数值算例进行定量验证,该模型所得结果与经典热传导理论的解析解具有较好的一致性。总体而言,该模型拓展了近场动力学在模拟一般界面行为中的应用,为模拟热致界面失效问题奠定了基础。

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图:纤维增强塑料的几何形状。


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图:不同Kapitaz热阻下的稳态温度分布。


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图:K_1=1和K_2=2时沿着x=re的温度曲线比较,e=(cosΨ,sinΨ)。




文四:

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https://doi.org/10.1016/j.cma.2021.113897

一种考虑加载速率效应的准脆性材料的粘弹性微极近场动力学模型

本文提出了一种用于描述准脆性材料并且考虑了加载速率的非线性变形和断裂行为的粘弹性微极近场动力学模型。作者们通过引入键变形速率的定义来重新表述连接材料点之间的键的控制方程。作者们引入了两个分别表示键的法向刚度和切向刚度的近场动力学参数,来确保经由本文提出的近场动力学模型计算得到的应变能与经由连续介质粘弹性力学得到的应变能一致。本文提出了一种用于描述准脆性材料动态渐进断裂过程的新型断裂准则。作者们为了捕捉加载速率对固体材料的影响,引入了损伤函数和键的动态强度。作者们通过对比本文所提出模型预测的结果与实验观测的结果,对模型进行了验证。数值算例证明,本文提出的模型能很好的捕捉到准脆性材料在不同加载速率的动态载荷下表现出的如松弛、软化-硬化和混合模式断裂等非线性粘弹性行为。

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图:不同加载速率的竖向加载下的紧凑拉伸试件。


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图:所提出VMPD模型以及实验观察的试样中的裂纹扩展,(a)静态载荷,(b)加载速率为0.035m/s的动态载荷,(c)加载速率为1.4m/s的动态载荷,(d)加载速率为4.3m/s的动态载荷。




文五:

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https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2021.103918

混凝土材料动态拉伸断裂的近场动力学建模

混凝土作为一种脆性材料,在拉伸作用下会发生诸如断裂和剥落等拉伸破坏。这些拉伸破坏被认为与裂纹的萌生、扩展和交汇有关。本文的研究目的是提出一种用于研究混凝土动态拉伸断裂的数值研究方法。为此,本文将非常规态型近场动力学理论作为分析工具来避免有限单元法在处理如裂纹等非连续问题时遇到的困难。除此之外,为了获得混凝土中的真实应力场并更新非常规态型近场动力学理论中的力态与位移矢量之间的非线性关系,本文引入了一种完善的率相关的混凝土材料塑性损伤模型。该模型通过对Kong-Fang混凝土模型进行修正得来,Kong-Fang混凝土模型已经被证实在经典连续介质力学理论范畴内适用于模拟动态拉伸断裂。本文通过动态断裂测试和剥落测试等几个数值算例证明了该模型的有效性。模拟结果揭示了混凝土材料的动态破坏和剥落行为可以很好地被本模型捕获,并且可以观测到这些行为受加载速率的显著影响。本文所预测的混凝土在不同加载速率下的裂纹模式与相对应的实验结果表现一致。

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图:混凝土L形试样动态断裂的几何模型与边界条件。


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图:不同加载速率下PD模拟与实验获得的混凝土L形试样的断裂模式。


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图:修正的分离霍普金森杆测试的数值模型。


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图:不同冲击速率下数值预测与实验结果的比较,(a)断裂模式,(b)速度场。


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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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