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近场动力学最新上线的文章快报:2021年7月(中)

已有 1573 次阅读 2022-1-10 10:47 |系统分类:科研笔记

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2021年7月中期近场动力学领域有五篇新文章上线。本期推荐文一和文四两篇综述性文献。文一综述了近场动力学在冰区海洋结构物中的应用;文四综述了材料腐蚀的多尺度建模方法。除此之外,文三针对压缩沥青混合料裂纹分叉的形态特征进行了研究。下面我们依次简要介绍:


文一:

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http://ship-research.com/cn/article/doi/10.19693/j.issn.1673-3185.02233

近场动力学在冰区船舶与海洋结构物中的应用进展与展望

近场动力学作为一种非局部理论,能够通过键的失效来自发模拟材料失效、破坏,其在海洋工程领域已取得初步的研究成果,尤其是在冰区船舶与海洋工程领域,更彰显了该方法的优越性。为了更好地了解近场动力学在冰区船舶和海洋工程中的应用,对近场动力学在冰区船舶与海洋工程应用中的问题进行梳理,内容主要包括冰材料本构模型、冰−结构作用模型、冰−水耦合方法、结构物力学模型、水下爆炸破冰应用及结构表面覆冰除冰的应用等。同时,在全面回顾已发表相关研究成果的基础上,分析其特点和遇到的挑战,探讨相应的解决思路和未来的研究方向。

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图:船艏-浮冰作用模拟。


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图:实验结果、 SPH 结果和 PD 结果间的比较。




文二:

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https://doi.org/10.1007/s42102-021-00058-x

对基于常规态型近场动力学的双材料界面建模的深入研究

本文对基于常规态型近场动力学(OSB-PD)的界面建模技术进行了深入研究。在数值算例中,通过与简单双材料界面问题有限元解的比较,作者们研究了每种技术的精度。随后,通过(使用该方法)解决单个夹杂物或多个夹杂物的各种问题,作者们证明了OSB-PD处理复杂几何形状材料界面的能力。最后,通过考虑含夹杂物的裂纹板,作者们研究了夹杂物对动态应力强度因子(DSIF)的影响。由于OSB-PD的有效性和易于实现,它在具有多个缺陷的结构建模方面显示出巨大的潜力。

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图:含两夹杂物板的几何尺寸和边界条件。


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图:应变分量云图,(a)x方向正应变,(b)y方向正应变,(c)剪切应变。




文三:

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https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.107884

压缩沥青混合料裂纹分叉的形态特征

裂纹分叉是一个多裂纹扩展问题。单裂纹尖端单元经常被遇到,并且定义多裂纹尖端的富集函数很困难。为了克服这些缺点,本研究使用一个已经被发展的常规态型近场动力学方法来模拟AC-13、AC-20和PAC-13沥青混合料的裂纹分叉问题。作者们通过X射线计算机断层扫描技术得到这些沥青混合料的数字图像。其次,作者们通过动态模量试验得到细沥青混合料的Prony级数系数。之后,作者们通过半圆弯曲试验测得细沥青混合料的断裂能。最后,作者们将测得的沥青混合料特性输入到常规态型近场动力学方法中,以模拟AC-13、AC-20 和 PAC-13 沥青混合料中的裂纹分叉。然后,斜裂纹继续分叉成翼型裂纹、劈裂裂纹和分叉裂纹。这四种类型的裂纹可以在沥青混合料中产生八种裂纹分叉类别。裂纹分叉轨迹由分形维数量化,其取值范围是1.14到1.64。分形维数的物理意义解释了沥青混合料中裂纹分叉路径的变化。

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图:沥青混合料数值模型的几何尺寸。


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图:20℃时AC-20沥青混合料的裂纹分叉。

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图:材料点的速度向量云图。




文四:

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https://doi.org/10.1016/j.corcom.2021.07.001

腐蚀的整合计算:建模、仿真和应用

在过去的十年中,腐蚀的整合计算在原子尺度上对腐蚀机理的阐明和具有优良耐腐蚀性的先进材料的计算机辅助设计方面取得了重大进展。本文综述了腐蚀研究中的理论计算方法和发展趋势,并阐述了三个具体的应用。第一性原理技术与分子动力学方法、近场动力学理论和有限元方法相结合,提供了多尺度模型来研究应力腐蚀开裂和氢致开裂的微观机制。通过点缺陷扩散及其能级简并的相关性,阐述了钝化和钝化膜击穿的计算。通过对已出版材料的调研,如何利用计算机预测腐蚀程度以及设计新的耐腐蚀材料,人工智能技术被认为是新的方向。为了更好、更高效地发展腐蚀的整合计算,未来加强合作需要广泛的协作和强大的数据基础设施。

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图:腐蚀的整合计算,多尺度模型和实验验证的图示。


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图:铝合金大气腐蚀的交叉尺度计算流程图。


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图:(a)-(d)WOL试样切口附近氧化膜裂纹的形核和扩展过程,(e)点蚀裂纹的实验形貌,(f)点蚀处即裂纹萌生位置的应变分布。




文五:

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https://doi.org/10.1007/s42102-021-00056-z

基于Cosserat近场动力学模型的纤维混凝土断裂数值分析

作者们基于Cosserat近场动力学模型(CPD)发展了近场动力学纤维增强混凝土(PD-FRC)模型,其中CPD引入了材料点的独立旋转自由度(DOF),并具有表示微结构尺寸和相互作用的材料参数。在FRC建模方法上,纤维是通过半离散方法进行建模的,并按位置和角度随机分布,其中的随机数序列采用线性同余生成器产生。本文通过提高连接键的强度和刚度来模拟纤维与混凝土基体之间的相互作用。此外,本文还考虑了纤维与混凝土基体之间与压缩相关的摩擦效应和多纤维效应。为了研究微观结构对FRC结构裂纹扩展的影响,本文模拟了两个拉伸试验。将所提出模型的数值结果与PD-FRC模型进行了比较,展示出了良好的一致性。本文还研究了纤维分布、摩擦效应、Cosserat剪切模量和内部长度尺度对裂纹扩展的影响。具有更高纤维体积分数的平板获得更高的拉伸强度和韧性。摩擦效应主要影响峰后力学行为,但对强度影响不大。Cosserat剪切模量影响微旋转分布和微裂纹成核。而内部长度尺度主要影响微裂纹成核,对微旋分布影响不大。

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图:双半圆开口板的几何尺寸和边界条件。


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图:双半圆开口板的纤维分布,(a)v_f=α(100根纤维),(b)v_f=2α(200根纤维)。


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图:施加位移载荷u_b=0.012mm时不同纤维体积分数的板的裂纹扩展,(a)PC,(b)FRC,v_f=α,(c)FRC,v_f=2α,(d)FRC,v_f=0.6%。


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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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