多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说, 近场动力学(peri-dynamics,PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法. 概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热--力、湿--热--力、热--氧、热--力--氧、力--电、热--电、力--热--电、多孔介质的水--力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.      

Review of peridynamics for multi-physics coupling modeling

广义来说, 近场动力学(peri-dynamics,PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法. 概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热--力、湿--热--力、热--氧、热--力--氧、力--电、热--电、力--热--电、多孔介质的水--力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.     

近场动力学研究进展

近场动力学(Peridynamics或PD)理论基于非局部作用思想,采用空间积分描述物质内部作用,对于从连续到非连续、微观到宏观的力学行为具有统一的表述,数值上天然具有无网格属性和不连续求解功能,在分析不连续,多尺度等问题时展现出了具有优势的适用性和可靠性.本文介绍了近场动力学的发展背景;概述了其理论基础、数值实现过程和计算体系,并在此基础上探讨了近场动力学理论和数值模型的适定性,以及与传统连续介质模型和分子动力学模型进行耦合的可行性;系统分析了近场动力学方法在各个领域上的应用发展现状和趋势,包括静态、动态破坏问题,基于近场动力学的材料模型,以及新兴的疲劳问题研究和多尺度、多物理场的耦合问题;最后对近场动力学方法目前存在的局限性和将来的研究进行了探讨.     

近场动力学与有限元的混合建模方法

综述了近场动力学与有限元混合建模方法的研究进展,阐明了各种混合建模方法的基本原理与特点,并重点介绍本课题组在近场动力学与有限元方法混合建模方面的研究工作。现有近场动力学与有限元混合建模方法包括位移协调约束、力耦合、混合函数方法以及子模型方法等,除子模型方法外,都可归结为并行式多尺度分析方法,其基本思想是将计算结构划分为近场动力学子域、有限元子域以及两者的交界区域(或重叠区域、或界面单元、或过渡区域)。子模型方法可归结为显-显分析方法,先采用显式有限元进行整体分析,后采用近场动力学方法对重点区域进行分析。混合建模方法需要着重提高交界区域的计算精度,并且消除虚假力和虚假应力波问题。提出了通过力耦合的近场动力学与有限元混合建模的隐式分析方法,该方法不再设置重叠区,通过杆单元连接近场动力学子域与有限元子域,其中界面上的有限元结点不仅与其所在单元的其他结点发生作用,还通过杆单元与以其为圆心、一定半径的圆域内的其他物质点相互作用。研究表明,本文提出的混合模型和求解方法既能有效解决裂纹扩展等不连续问题,又可提高计算效率,为工程结构破坏问题的计算分析提供一种有效方法。     

《固体材料的多尺度与多场耦合力学》专辑序言

正随着现代科技的迅速发展,固体材料的服役环境愈加严苛,从而引发了力学理论和分析方法的变革。固体材料经常承受多场耦合作用,产生了如力-热耦合、力-磁-热耦合、力-电-热耦合、力-磁-电耦合、力-化耦合等问题。在实际分析中,不仅要解决这些物理场的叠加问题,还经常要考虑不同物理场之间的交互作用。各种物理场通常可通过偏微分方程来描述,求解多物理场问题的本质是联立这些偏微分方程组,且在理论上可实现任意物理场的耦合。通过求解多场耦合问题并研究材料在各物理场中的宏     

《固体材料的多尺度与多场耦合力学》专辑序言

正随着现代科技的迅速发展,固体材料的服役环境愈加严苛,从而引发了力学理论和分析方法的变革。固体材料经常承受多场耦合作用,产生了如力-热耦合、力-磁-热耦合、力-电-热耦合、力-磁-电耦合、力-化耦合等问题。在实际分析中,不仅要解决这些物理场的叠加问题,还经常要考虑不同物理场之间的交互作用。各种物理场通常可通过偏微分方程来描述,求解多物理场问题的本质是联立这些偏微分     

近场动力学框架下的键基对应模型

传统键基近场动力学模型存在泊松比限制的问题,为了解决这一问题发展了态基近场动力学模型。其中非常规态的近场动力学模型通过定义非局部的变形梯度将近场力和传统应力关联起来,方便使用传统本构,但是态基近场动力学计算效率低于键基近场动力学。结合态基模型和键基模型的优势,提出键基对应模型,定义了基于键的变形梯度,参考连续介质力学中变形梯度的极分解过程,将键的变形分为转动部分和伸长部分。从而进一步定义了应变,通过物理方程求应力,进而计算键传递的近场力。键基对应模型解决了键基近场动力学的泊松比限制问题,也不需要进行近场动力学微观材料常数的计算。数值算例和理论推导证明了键变形梯度定义以及近场力计算方式的正确性。     

考虑相变的近场动力学热?力耦合模型及多孔介质冻结破坏模拟

多孔介质的传热传质现象广泛存在于自然界和工业领域中. 低温条件可能导致多孔介质中的组分发生相变, 并由此诱发材料损伤, 甚至导致结构失效破坏. 对这类破坏现象的预测需要精细化建模, 以能够反映物质的相变过程和材料的破坏特征. 本文采用热焓法改写经典的热传导方程, 在近场动力学框架下, 建立了一种考虑物质相变的热?力耦合模型, 发展了交错显式求解的数值计算方法, 进行了方板角冻结、热致变形和多孔介质冻结破坏等问题的模拟, 得到了方板的冻结特征、温度场和变形场的分布规律以及多孔介质的冻结破坏过程, 与试验和其他数值方法的结果具有较好的一致性. 研究表明, 本文所建立的考虑物质相变的近场动力学热?力耦合模型能够反映材料的非局部效应和物质相变潜热的影响, 准确捕捉相变过程中液固界面的演化特征, 再现多孔介质中材料相变、基质热致变形和冻结破坏过程, 突破了传统连续性模型求解这类破坏问题时面临的瓶颈, 为深入研究多孔介质冻融破坏过程和破坏机理提供了有效途径.      

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难.近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性.本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法.结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域.包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模.本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域.耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用.将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量.分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率.该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.     

多场耦合系统动力学仿真方法研究进展

现代工程系统往往是以复杂结构/机械系统为主体,融合热、流、电磁等若干子系统的多场耦合系统.此类系统动力学建模复杂、计算难度大,给系统动态特性高效精确评估与设计优化带来前所未有的挑战,有关其高效精确动力学仿真方法的研究愈发受到关注.本文详细回顾了复杂工程系统多场耦合动力学仿真方法研究成果和进展,包括:多场耦合动力学建模与数值求解基本策略、网格变形处理方法、耦合数据交换技术、数值计算效率等问题,在此基础上详细讨论了单一和混合不确定性条件下多场耦合系统不确定性分析及可靠性评估方法,以期为相关研究提供有益的借鉴和参考.     

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.      

一种近场动力学非普通状态理论零能模式控制方法

近场动力学非普通状态理论在采用节点积分时将引起零能模式,造成位移场、应力应变场的数值不稳定性,影响计算精度甚至会导致完全错误的结果,因此必须对其进行控制.目前国际上还没有十分有效的零能模式控制方法.本文针对零能模式问题,提出了一种通用的、高效的控制方法.根据近场动力学线性键理论,确定非均匀变形对应弹性张量的具体形式,考虑了微模量随不同作用键的变化.通过最小位能原理推导出非均匀变形引起的力状态,结合近场动力学力状态,得到稳定力状态表达式.从而建立起基于线性键理论的稳定关联材料模型,并应用于含圆孔平板、三点弯试件线弹性变形和损伤破坏过程模拟.数值结果表明,本文模型能有效抑制近场动力学非普通状态理论中的零能模式现象.与已有零能模式控制方法相比,其物理意义明确,不包含控制参数,避免了复杂的零能模式参数调节过程,提高了计算效率.     

一种近场动力学非普通状态理论零能模式控制方法

近场动力学非普通状态理论在采用节点积分时将引起零能模式,造成位移场、应力应变场的数值不稳定性,影响计算精度甚至会导致完全错误的结果,因此必须对其进行控制.目前国际上还没有十分有效的零能模式控制方法.本文针对零能模式问题,提出了一种通用的、高效的控制方法.根据近场动力学线性键理论,确定非均匀变形对应弹性张量的具体形式,考虑了微模量随不同作用键的变化.通过最小位能原理推导出非均匀变形引起的力状态,结合近场动力学力状态,得到稳定力状态表达式.从而建立起基于线性键理论的稳定关联材料模型,并应用于含圆孔平板、三点弯试件线弹性变形和损伤破坏过程模拟.数值结果表明,本文模型能有效抑制近场动力学非普通状态理论中的零能模式现象.与已有零能模式控制方法相比,其物理意义明确,不包含控制参数,避免了复杂的零能模式参数调节过程,提高了计算效率.      

固体热-化-力耦合连续介质理论的研究现状与展望

考虑化学作用的固体多场耦合问题涉及开放系统中多组分物质的复杂动力学过程.这些过程不仅具有不同时空尺度下的多重热力学作用机制,还会引起材料性质的不断变化.深入认识热、化学、力学相互作用下物质与能量的传递和转化方式,合理描述化学反应与固体力学行为的相互影响并建立严密的耦合理论体系,不论是对新型智能材料的功能优化设计,还是对传统材料和结构在耦合场中的性能评估与预测都至关重要,也是当代固体力学发展的一个重要方向.本文针对各领域中广泛存在的固体传热、传质、化学反应和力学行为相互耦合的问题,按照传质-变形耦合问题、反应-变形耦合问题及热-化-力完全耦合问题几种主要类型,介绍了相关连续介质理论建模和求解等方面的研究进展,重点对耦合理论建模中常涉及的几类关键问题进行了深入分析和讨论,并对今后固体热-化-力耦合问题的研究进行了展望.     

近场动力学在断裂力学领域的研究进展

近场动力学采用非局部积分计算节点内力, 利用统一数学框架描述空间连续与非连续, 避免了非连续区局部空间导数引起的应力奇异, 数值上具有无网格属性, 可自然模拟材料结构的断裂问题. 本文概述了近场动力学的弹性本构力模型, 系统介绍了近场动力学临界伸长率、临界能量密度以及材料强度相关的键失效准则. 详细介绍了近场动力学在断裂力学领域的研究进展, 包括断裂参数能量释放率与应力强度因子的求解、J积分、混合型裂纹、弹塑性断裂、黏聚力模型、动态断裂、材料界面断裂以及疲劳裂纹扩展等. 最后讨论了断裂问题近场动力学研究的发展方向.      

移动接触线的物理力学研究

移动接触线,指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触区域.移动接触区域跨越多个尺度,其中三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征.由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用和迅速发展,移动接触线在新的应用背景下发展了新的难题.标度分析是度量接触线自相似扩展的重要手段.本文以移动接触线的标度关系为主线,介绍了"力–电–热–化学"多场耦合环境下,亲水内角、微柱阵列、可溶解固体、水力压裂滞后区等复杂几何结构的刚性/柔性固体表面,采用物理力学方法对于移动接触线动力学属性研究的进展.通过跨尺度实验研究、大规模分子动力学模拟和分子动理论/水动力学理论相结合的方法,发现了类固体前驱膜、单分子前驱水链、锯齿形接触线等新现象.从原子尺度的界面结构到连续尺度的流动特性,讨论了移动接触线自相似扩展的标度关系,以及其驱动来源、能量耗散、边界条件等物理机制和规律,为多物理场中的"Huh-Scriven佯谬"探索了解答,为移动接触线的前景和应用提出了展望.     

基于近场动力学理论的混凝土轴拉破坏过程模拟

近场动力学PD(Peridynamics)是一种新兴的基于非局部模型描述材料特性的数值计算方法.该方法假定位于连续体内的粒子通过有限的距离与其他粒子相互作用,通过积分计算在一定近场范围(Horizon)内具有一定影响域的材料点之间的相互作用力,而不论位移场的连续与否,避免了传统的局部微分方程求解在面临不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性.本文概述了PD方法的基本思想、建模方法和计算体系,给出了用近场动力学方法模拟混凝土在轴向拉伸荷载作用下的计算格式.算例结果表明,PD方法可以很好地刻画和模拟混凝土在轴拉情形下的损伤累积与渐进破坏过程.最后讨论了PD方法在理论、计算和应用等方面有待进一步研究的问题.     

化学-力学耦合理论与数值方法

该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.     

近场动力学最小二乘和有限元耦合方法研究

准确高效地对损伤和断裂问题进行建模是计算力学中的关键研究课题之一。将近场动力学最小二乘在处理含裂纹等非连续问题上的优势和有限元计算效率高及便于施加边界条件的优势结合，提出了近场动力学最小二乘和有限元耦合方法。将裂纹及其可能扩展区域划分为近场动力学区域，边界及其他区域划分为有限元区域，并将其中的结点类型分为近场动力学结点和有限元结点。有限元结点仅与同单元中的其他结点产生作用，近场动力学结点则与其族内的所有结点产生作用。将以上的单元刚度矩阵和质量矩阵进行组装得到整体刚度矩阵和整体质量矩阵。本文的耦合方法数值实现简单有效，相对于键基和常规态基近场动力学，该耦合方法包含了应力和应变的概念，同时不受零能模式的影响。一维和二维静态和动态问题的研究，验证了本文的耦合方法的有效性和准确性。     

功能梯度材料斜裂纹动态扩展的近场动力学模拟

近场动力学是一种考虑非局部力相互作用的连续体理论.采用有限范围内的直接求和积分来代替经典弹性力学的应力/应变关系,这样就避免了传统的局部微分方程在求解不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性,而且在处理多物理场问题时具有同样的优势.本文采用近场动力学理论,模拟功能梯度材料在受动态拉伸荷载作用下的裂纹扩展问题,给出了功能梯度材料的斜裂纹扩展路径及破坏形态,同时讨论材料梯度形式对裂纹扩展行为的影响.结果发现裂纹总是沿着水平方向扩展,且材料的梯度形式对裂纹的扩展行为影响较小.