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近场动力学最新上线的文章快报:2021年6月(中)

已有 514 次阅读 2021-11-30 10:40 |系统分类:科研笔记

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2021年6月中期近场动力学领域有六篇新文章上线,其中包括喷涂过程的界面粘接模拟、焊缝处的疲劳裂纹扩展、玻璃与岩石类材料的断裂模拟、近场动力学的准非局部耦合方法以及LAMMPS软件的开发经验总结等下面我们依次简要介绍:


文一:

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https://doi.org/10.3390/chemengineering5020030

如何修改LAMMPS:从一个粒子类方法研究者的视角

LAMMPS是一种功能强大的模拟器,最初是为分子动力学开发的,现今也适用于其他基于粒子模型的算法,例如DEM、SPH和近场动力学。该软件的多功能性得益于其开源性且支持用户修改,因而得到进一步的发展。这一特性尤其适用于同一模拟过程中组合了多种粒子类方法的离散多物理场模型和混合模型。对于缺乏编程经验的研究人员来说,修改LAMMPS是一种挑战。目前关于如何修改LAMMPS的资料对于大多数研究人员来说,要么过于基础,要么过于深奥。在本文中,作者们给出了几个复杂程度递增的例子,适合那些在物理学领域和工程领域中熟悉编程但不是程序专家的从业者及研究人员学习。对于每种特性,作者们给出了在LAMMPS中可以逐步实现的指令,研究者们可以轻松遵循该过程并编译出一种新版的代码。本文旨在填补文献中的空白,特别是对于那些使用粒子类方法研究(离散)多物理场问题的科学组织具有参考价值。


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图:充气气球模拟。




文二:

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https://doi.org/10.31399/asm.cp.itsc2021p0396

冷喷涂过程中粒子撞击和界面粘结的近场动力学模拟

近年来,冷喷涂(CS)技术作为热喷涂技术的替代方法引起了广泛的关注,该技术通过使用高动能固体颗粒撞击并粘附在基体上来生成涂层。迄今为止,已有大量的数值研究来研究CS中多粒子撞击的沉积过程和相关机制。然而,在常用的数值方法中,单个粉末粒子往往是被分开独立处理的,因此没有正确考虑沉积过程中的粘附机制。在本研究中,作者们提出了一种基于近场动力学的新型数值方法,该方法将界面的相互作用作为本构模型的一部分,在一个统一的框架下捕捉到了冲击粒子的变形、粘结和回弹。本文提出了两种模型来表征黏着接触:a)一种通过适当的校正来复现Ⅰ型断裂能的长程Lenard-Johns势;b)由块体材料Ⅰ型断裂模拟直接导出的界面力-拉伸关系。通过近场动力学模拟的粒子变形行为与标准有限元方法模拟得到的结果相比表现出了很好的一致性,这表明了将近场动力学模型应用于CS模拟的可行性。此外,模拟结果还表明了黏着接触模型能够准确地描述粉尘颗粒与基体在交界面处的黏附作用。


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图:速度分别为400m/s,500m/s,600m/s下模拟的铜粒子变形,(a)-(c) 近场动力学方法,(d)-(f) FEM。


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图:30μm的铜粉末以500m/s的速度撞击铜基板,(a)界面不考虑粘聚力,(b)接触模型1,(c)接触模型2。




文三:

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https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2021.109348

角焊缝处疲劳裂纹扩展的近场动力学分析

疲劳评估是评估结构设计寿命和结构运行可靠性的重要因素之一。特别是对于焊接结构,高应力集中、残余应力、焊缝几何形状和焊缝质量使结构更容易发生疲劳失效。因此,需要采用更有效的方法来估算焊接结构的疲劳性能。现有的预测循环荷载作用下裂纹扩展的经典方法在处理复杂的裂纹扩展模式时存在一些困难。然而,近场动力学理论在处理不连续方面具有优势。本研究通过考虑ASTM E647标准紧密型拉伸实验中的裂纹扩展过程验证了一种近场动力学疲劳模型,即剩余寿命的键损伤模型。在对近场动力学模型进行校验后,本文通过对循环加载条件下疲劳裂纹扩展进行预测,给出了角焊接头的疲劳性能。

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图:单轴循环载荷下角焊缝的几何尺寸。


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图:σ=80MPa循环载荷下非焊接区域长度为7.2mm的数值模型的疲劳损伤,(a)N=0,(b)N=183637,(c)N=227882,(d)N=233606。


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图:非焊接区域长度为7.2mm时的疲劳损伤扩展,(a)近场动力学疲劳模型,(b)疲劳试验结果。




文四:

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https://escholarship.org/uc/item/43s0f9rj

玻璃力学的近场动力学建模

压痕法是一种受到广泛应用的探测玻璃力学性能的方法。然而,由于压头尖端下应力场的复杂性质以及原位表征技术的缺失,阐释玻璃对压痕的响应并非易事。这里作者们借助近场动力学模拟方法提出了一个数值模型,来描述典型钠钙硅酸盐窗户玻璃的压痕响应。本文表明,虽然近场动力学还不能复现剪切流和永久致密化现象,但其模拟结果与实验压痕数据表现出良好的一致性,为模拟压头尖端下的应力场形成提供了一种直接的途径。


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图:模型的几何尺寸,(a)加载前,(b)压痕深度为2500nm(最大加载),材料点的颜色显示沿y轴的垂直位移。


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图:(a)压痕后的裂纹表面形貌,(b)玻璃基板表面压痕后的永久性损伤云图(X-Z平面)。




文五:

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https://doi.org/10.1108/EC-05-2020-0246

近场动力学理论键型近场动力学与经典连续介质力学的准非局部耦合方法

目的:本文旨在提出一种新的键型近场动力学模型与经典连续介质力学模型的准非局部耦合方法,以充分利用它们的优点并克服鬼力问题。

架构/理论思路:本文通过引入仅改变耦合区域而非整个区域中的非局部相互作用的耦合参数和一个影响局部相互作用的修正弹性张量来构建总能量泛函。然后,作者们在耦合区域强制施加力分片测试的一致性,以消除一般基于能量的耦合方案中存在的鬼力。对于一维问题,这些耦合参数可由能量分片测试或通过l^1-正则化进一步确定以确保能量等效。此外,对于二维或三维问题,根据离散化的力分片测试的解的存在性,这些耦合参数可由l^1-最小化或l^1-正则化确定。

发现:本文通过仿射变形下的一维和二维数值算例验证了该准非局部耦合方法的准确性,该方法不具有鬼力。此外,耦合模型可以重现受拉裂纹板裂纹附近点的变形行为,结果与纯近场动力学模型几乎完全相同,但前者具有低得多的计算成本和更方便的边界条件施加方法。

创新点/价值:本文旨在克服基于能量的耦合方法中长期存在的鬼力问题。带裂纹板问题的数值模拟结果表明本文模型有进一步解决动态问题的潜力。


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图:2D板的几何尺寸和初始区域划分。


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图:裂纹板的损伤场ф。




文六:

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http://manu31.magtech.com.cn/Jwk_ytgcxb/CN/abstract/abstract18650.shtml

基于SED 准则的近场动力学及岩石类材料裂纹扩展模拟

在近场动力学理论的基础上,作者们引入了反应岩石类材料破坏特性的应变能密度(SED)准则,同时利用服从Weibull分布的临界破坏条件来描述岩石的异质性,弥补了近场动力学方法在模拟岩石类材料裂纹扩展时无法反映岩石应变软化特性及异质性的不足。本文利用基于SED准则的近场动力学方法模拟了含有不同倾角单裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展过程,分析了翼型裂纹、次生共面剪切裂纹及反翼型裂纹扩展的机理。作者们利用提出的方法模拟了含双平行裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展过程,结果表明预制双平行裂纹岩石破坏可分为3个阶段:翼型裂纹第一次贯通;剪切裂纹第二次贯通形成闭合的破坏环;剪切裂纹形成宏观裂纹引发破坏。最后作者们将本文模拟的结果与前人室内实验及数值模拟的结果对比,以验证方法的有效性,通过对比发现提出的理论可以较好的模拟岩石类材料裂纹扩展的过程,有很好的应用前景。


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图:预制双平行裂纹模型。


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图:双裂隙裂纹扩展过程。


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图:双平行裂纹扩展结果对比。

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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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