近场动力学

摘要： 采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在冲击波-破片群联合作用下的损伤情况。根据复合材料结构承受的载荷特性,分析冲击波-破片群联合作用下层合板及加筋板结构的损伤模式,考虑载荷作用次序等因素对于联合作用毁伤能力的影响规律。结果表明:联合作用对复合材料结构的损伤程度主要与冲击波强度、破片群侵彻能力、作用次序有关,主要损伤模式为分层失效、基体损伤、剪切损伤以及结构大变形;对于层合板而言,在冲击波先作用的工况下,结构损伤程度更高,损伤范围更大;对于加筋板而言,由于加筋板的筋条能显著降低冲击波作用,进而降低冲击波对破片群侵彻能力的增强效应,最终影响联合作用的毁伤能力,因而在破片群先作用的工况下反而损伤更严重。

摘要： 混凝土的宏观力学行为取决于材料组成及其性质。本文基于键基近场动力学理论建立了多相非均质性的混凝土细观尺度数值模型,研究了单轴拉伸作用下混凝土的宏观力学性能和断裂过程。通过改变粗骨料含量、砂浆强度、粗骨料强度以及界面过渡区强度对模型合理性进行了验证。结果表明:软化段之前的应力-应变曲线能够被很好重现,能准确描述混凝土在单轴拉伸作用下的力学性能和断裂过程;调整数值模型中各相材料的力学参数能够合理模拟出不同类型的混凝土在单轴拉伸作用下的断裂过程。

摘要： 采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在破片群载荷作用下的损伤情况。根据复合材料结构受到载荷的特性,总结破片群冲击作用下复合材料结构损伤特性,分析其破坏过程,研究破片群增强效应,并对破片速度、破片数量、破片群间距对侵彻能力增强效应的影响进行分析。结果表明:层合板结构在高速破片群侵彻作用下损伤模式多样,与破片数量、速度、间距相关;破片数量的增加,对破片群侵彻能力增强效应明显;破片间距与破片群侵彻能力增强效应负相关,破片间距减小,破片群损伤效应提高;破片速度直接决定穿透时间,破片速度的提高使得穿透时间缩短,应力波的叠加效应不足以影响破片群的侵彻能力。

摘要： 裂隙岩体应力-渗流耦合机制是油气开采、地应力测量与地质灾害防控等岩土工程活动的理论基础。基于近场动力学非局部作用思想提出了物质点双重覆盖理论模型,通过将近场动力学在模拟固体材料变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合,采用“混合”时间积分方案,构建了流体压力驱动条件下裂隙岩体应力-渗流耦合的常规态型近场动力学模拟方法,并将其应用于空心圆柱体注水试验模拟,揭示了水力裂隙起裂、扩展和贯通的作用机制,通过与室内试验及传统数值方法计算结果对比验证了模拟方法的有效性。模拟结果显示,空心圆柱体注水试验过程中岩体的变形和破坏完全是由水力驱动的,水力裂隙的产生是随机的,不需要指定裂隙扩展路径,并且水力压裂过程中致使试件破裂的能量存在积蓄-释放过程,应用近场动力学方法可以较好地捕捉该现象。

摘要： 为提高粒子方法模拟冰力学性能的准确性,尤其是模拟冰在破坏过程表现出的塑性变形特性,建立了基于无网格粒子法近场动力学理论的冰弯曲破坏弹塑性本构模型。以积分形式表示的近场动力学是一种新兴的非局部理论,它可以应用于无外设准则的破坏过程预报研究,即使在不连续的物体中,仍对变形体有效。首先,依据Von-Mise屈服面准则,建立了基于塑性应变增量与塑性应力增量变化的冰弹塑性本构模型。然后,分析了该模型的边界条件施加方法和冰的失效判断准则。接着,介绍了本构模型在FORTRAN环境下的数值计算方法。最后,利用常规状态型近场动力学方法模拟冰的四点弯曲破坏过程,预报了时间历程的压力曲线。通过冰的四点弯曲过程数值模拟结果与实验结果的比对分析表明,数值模型预报的冰破坏过程、裂纹扩展模式以及压力曲线和试验结果有较高的一致性。由此本文建立的数值模型能够应用于冰的弹塑性弯曲破坏过程预报。该本构模型为模拟船舶在水平冰中航行时的实际破冰过程提高了基本数值策略。

摘要： 在经典近场动力学模型的基础上,通过小变形假定将近场动力学中的微模量与经典理论中的弹性常数建立联系,引入可以反映非局部作用特性的核函数提高计算精度,利用刚度等效的方式建立有关微模量的线性方程组,并通过寻求不定线性方程组最小二乘(LSM)最小范数解的方式对近场动力学中微模量进行优化,根据二次规划得到最优非负模量。利用优化后的方法对二维平板在单轴和双轴荷载作用下的变形及含预制裂纹脆性材料在荷载下的裂纹扩展进行了模拟并将结果与理论经典近场动力学方法结果对比。结果表明:优化后的方法可以较好的反映结构在荷载条件下的变形与破坏特性,与经典方法相比材料变形模拟在最大误差及误差范围具有良好的改善,并且模拟裂纹扩展过程在同等计算成本下具有更优的收敛速度及收敛结果,进一步验证了所提出方法的有效性,有着较为广泛的应用前景。

摘要： 针对静载、冲击荷载条件下宏观孔隙混凝土的孔隙参数对混凝土损伤演化过程的影响问题,采用MATLAB程序结合蒙特卡罗方法生成随机的孔隙结构物理模型,通过自编近场动力学程序模拟了单轴压缩下宏观孔隙混凝土的应力应变过程,并制备了以聚苯乙烯小球高温融化为孔隙体的混凝土砂浆试件,对宏观孔隙率0%~40%的混凝土试件进行了单轴压缩,实验验证了模型计算结果的准确性,随后模拟了爆破冲击作用下宏观孔隙混凝土的裂纹萌发与扩展。结果表明:孔隙率对宏观孔隙混凝土材料力学性能的影响显著,随着孔隙率的增加,试样的密度、抗压强度、弹性模量以及纵波波速不断降低,当孔隙率达到30%后,孔隙率对轴线抗压强度影响减弱,并且出现峰前应力跌落现象。孔隙率为零的混凝土试样在无围压冲击荷载作用下具有明显的压剪破坏形式,而含孔隙的混凝土由于大量的孔隙存在导致孔隙间混凝土骨架的拉伸或剪切贯通破坏。在相同冲击荷载下不同孔隙率混凝土的破坏情况不同,孔隙率大的孔隙混凝土试样破坏严重,表明孔隙率对冲击载荷作用下混凝土试件能量耗散起着重要作用。

摘要： 为了深入研究对流扩散问题,本文针对一维无源对流扩散方程给出了利用近场动力学理论求解方程的一般计算格式。推导出了对流项的收敛时间步长计算公式,并采用迎风格式对一维无源对流方程进行验证,证明了近场动力学可以用于求解对流项,随后引入无量纲数Pe,对对流扩散中的占优情况进行判断,最终得到同时满足对流项和扩散项收敛要求的时间步长。结果表明:利用近场动力学理论求解无源对流方程时,当安全系数ζ与近场范围系数m满足1/ζ=2m,误差可达到最小;无量纲数Pe可用于判断对流扩散中的占优情况,且经过理论值和计算值的比对,证实了近场动力学理论求解一维无源对流扩散方程的可行性及数值准确性。

摘要： 提出适用于壳结构裂纹扩展仿真的等几何分析(isogeometric analysis, IGA)与近场动力学(peridynamic, PD)耦合模型,采用非均匀有理B样条(non-uniform rational B-spline, NURBS)函数精确描述几何模型,将整个模型分为裂纹扩展区域和非扩展区域。将裂纹扩展区域设置为近场动力学区域,基于非连续伽辽金(discontinuous Galerkin, DG)有限元离散的PD Reissner-Mindlin(R-M)壳模型进行计算;在非扩展区域采用等几何分析R-M壳模型进行计算。基于力和力矩平衡原理,进行2个区域的耦合。IGA-PD壳耦合模型可以准确模拟壳结构中的裂纹扩展、分叉和合并过程,可提高计算效率。采用标准算例验证所提出算法的效率和准确性。

摘要： 天然冰材料在变形与破坏行为上的各向异性特征是冰与结构相互作用中产生复杂载荷过程的关键诱因,而天然冰各向异性的根源则在于单晶冰的各向异性.目前,学术界针对单晶冰各向异性的数值模拟方法研究仍较为缺乏.为了准确再现天然冰材料的特殊力学性质,本文基于近场动力学理论,提出了一种单晶冰弹性各向异性的数值模拟方法.该方法的核心思想是将单晶冰杨氏模量沿不同加载方向的变化规律引入到近场动力学力密度向量的影响函数中.以前人实验测试得到的杨氏模量值为参考,通过开展与C轴呈0°,45°和90°三个加载方向的单晶冰单轴压缩数值模拟实验,提出了针对该影响函数的修正和辅助参数标定方法,最终在15°,30°,60°和75°等其他四个加载方向进行了验证.结果表明:本文提出的针对影响函数的修正与参数标定方法,能够较为便捷地找到数值模型杨氏模量与参考杨氏模量相一致的影响函数最优解,即本文提出的基于影响函数的近场动力学数值模拟方法,能够合理、准确地模拟单晶冰的弹性各向异性行为.本文研究成果可为后续多晶冰各向异性数值模拟方法的建立提供基础性参考.

摘要： 页岩气作为一种新兴能源,在十三五中明确被提出将继续加大力度扶持.然而由于其深埋、致密性,页岩气难以逸出.目前,通过注入岩井中的高压液体来压裂岩石致使页岩气析出的水力压裂技术是最为有效的开采技术.对于水力压裂过程实施数值模拟不仅有助于深入理解其作用机理,还能通过有效的数值预测给出最优的工艺参数配置,显著降低成本,提高效益.然而,由于水力压裂涉及到网状裂纹的萌生、扩展、分叉和联合,传统模拟裂纹扩展的数值方法如扩展有限元法等难以对该问题实施有效的数值模拟.近场动力学方法作为一种新兴的基于非局部模型的数值计算方法,以积分方程替代传统微分方程,对于裂纹不需要做额外的特殊处理,因此其对于模拟多裂纹尤其页岩的网状裂纹具有强大优势.本文将采用近场动力学方法模拟页岩水力压裂过程,并依据模拟结果揭示水力压裂中各工艺参数的影响机理.

摘要： 裂纹扩展过程的高效准确模拟一直是计算力学研究的热点.本文基于非局部积分思想构建了适于模拟裂纹扩展的近场动力学模型和算法.在近场动力学模型中将材料离散为相互作用的物质点,并针对混凝土的特性,在作用力中考虑物质点间的短程排斥力和拉压异性,在物质点对层次定义材料的局部损伤和断裂,并将物质点对临界伸长率与传统断裂力学中材料的应变能释放率联系起来;以中心差分法进行时间积分迭代求解物质点的运动轨迹并自然描述裂纹的扩展.通过典型的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展全过程的近场动力学模拟,验证了本文模型和算法的效率与精度.

摘要： 提出了一种基于近场动力学理论的纤维增强复合材料层压板的建模方法，并对含缺口的层压板进行了渐进损伤分析。按近场动力学理论，将层压板均匀离散为具有一定体积的节点，各节点与有限距离内的其余节点之间通过“键”产生相互作用。“键”的性能取决于节点之间的距离和相对位置，并与传统理论中的力学参量建立起联系。使用不同性能的“键”描述复合材料的各向异性行为，并将层压板损伤分为三种形式：纤维断裂，基体断裂和分层破坏。基于此建模方法，对含有中心缺口的复合材料层压板进行了渐进损伤分析，得到了不同铺层的单向层压板在拉伸载荷作用下的损伤扩展路径和最终破坏模式，本文方法的预测结果与文献中的研究结果吻合良好。

摘要： 混凝土在冲击、侵彻等动载荷作用下产生损伤和破坏的过程，其实质是力学模型从连续体到非连续体的转变过程。传统的连续介质理论基于连续性假设并运用偏微分方程求解问题，难以直接用于计算和模拟材料及结构发生破坏的整个过程。近场动力学(Peridynamics,PD)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它粒子相互作用，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方法的理论基础，描述了其建模思路及计算体系，给出了用近场动力学方法模拟结构受冲击荷载的计算格式。算例结果表明，PD方法可以很好地刻画和模拟材料及结构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。

摘要： 在微极连续体框架下发展了一个基于Cosserat理论的键基近场动力学模型.应用Cosserat连续体应变能和近场动力学应变能相等,推导出了近场动力学本构模型参数,给出了近场范围与材料的内禀特征长度的关系.应用MATLAB语言实现相应的程序开发.数值算例模拟一个含中心裂纹的平板在单向拉伸作用下裂纹的扩展过程,对比分析了键基近场动力学和该模型的模拟结果,验证了该模型及程序开发的正确性.

摘要： 无单元伽辽金法能够高效分析连续体问题,但是难于处理以裂纹为特征的非.能够高效分析连续体问题,但是难于处理以裂纹为特征的非.与此不同,近些年发展的近场动力学方法,在模拟裂纹扩展等非连续体问题时具有显著优势.然而,近场动力学方法的计算效率较低.为充分发挥两种方法各自的优势,本文展了它们耦合计算案在断裂破坏区域采用为充分发挥两种方法各自的优势,本文展了它们耦合计算案在断裂破坏区域采用为充分发挥两种方法各自的优势,本文展了它们耦合计算案在断裂破坏区域采用近场动力学方法,在其它连续体域采用无单元伽辽金法.进一步地,本文还充分利用了无单元伽辽金法不依赖于单元建立形函数的优点,在耦合区域可十分方便地进行局部节点加密,发展了它们的自适应耦合方案.

摘要： 近场动力学(peridynamics,PD)是一种新兴的基于非局部作用思想建立模型并通过求解空间积分方程描述物质力学行为的方法.它兼有分子动力学方法和无网格方法的优点,避免了基于连续性假设建模和求解空间微分方程的传统宏观方法在面临不连续问题时的奇异性,又突破了经典分子动力学方法在计算尺度上的局限,在宏/微观不连续力学问题分析中均表现出很高的求解精度和效率.首先概述了PD方法的理论基础、建模思路和计算体系;进而介绍了PD方法在不同尺度不连续力学问题中的应用,包括均匀与非均匀材料和结构的大变形、损伤、断裂、冲击、穿透和失稳问题,结晶相变动力学问题以及纳米材料和结构的破坏问题;最后讨论了PD方法在理论、计算和应用等方面值得进一步研究的问题.

摘要： 一种用于改善具有焊缝的海洋船舶的流体动力学轮廓和污染特性的方法，该焊缝形成在船舶水线以下的表面上突起的焊帽。该方法包括通过将整流件应用到水下表面来修正焊缝，例如通过使用填充物。一种具有整流件的船舶以及一种用于船舶并且包括整流件的覆层系统。

摘要： 按本发明的行驶动力学调节系统具有电子的行驶动力学控制单元，该行驶动力学控制单元与至少一个驱动控制单元连接并且构成为，使得该行驶动力学控制单元首先确定额定打滑值或者额定打滑范围和作为参考速度的实际车速。在此，在相应的实际行驶情况中，优选通过用于惯性滑行的最小允许的额定打滑值和用于牵引运行的最大允许的额定打滑值来设定额定打滑范围。按第一替选方案，根据额定打滑值或额定打滑范围将额定转速或额定转速范围输出给所述至少一个驱动控制单元。按第一替选方案的转速范围由在这种行驶情况中的最大允许的驱动打滑值和减速打滑值来计算。按第二替选方案，额定打滑值与参考车速一起直接输送给所述至少一个驱动控制单元，该驱动控制单元由此本身确定在马达层面上的额定转速。在第二替选方案中，类似于第一替选方案，取代额定打滑值，也可输出额定打滑范围，该额定打滑范围由驱动控制单元又换算成额定转速范围。

摘要： 本公开提出了一种基于近场动力学本构模型的节理岩体力学仿真方法及系统，所述方案将物质点键划分为即岩石键、节理键和裂隙键三种类型，基于强度折减理论构建三种近场动力学键的统一表达格式，并且在运动方程中引入表征岩体压缩性质的短程排斥力，建立了近场动力学节理岩体本构模型；将岩体结构模型的计算区域随机离散成有限数量的带有一定体积信息的物质点，选择合适的近场作用范围，形成所有物质点的邻域矩阵，根据节理分布参数及物质点空间坐标关系，利用向量叉乘判断物质点键是否穿越节理或者裂隙，并进行相应处理；采用自适应动态松弛算法，迭代求解物质点速度和位移，实现了节理岩体变形破坏过程的近场动力学仿真。

摘要： 本发明属于计算力学领域，提供了一种结构冲击弹塑性断裂分析的时间间断态基近场动力学方法，该方法将时间间断的思想引入态基近场动力学理论，有效提高了近场动力学显式动力分析的精度和准确预测结构断裂破坏的能力。本发明采用时间间断显式时程积分格式可以有效控制传统时程积分方法带来的虚假数值振荡，采用非常规态基近场动力学模型简便全面地描述了材料在冲击荷载下的复杂力学行为，并通过多种损伤断裂准则有效表征了结构的冲击断裂破坏模式。此外，本发明还采用快速邻域搜索算法构建物质点邻域并更新接触邻域，提升了计算效率。本发明所提出的方法作为一种新的数值求解格式，可以通过简单修改原计算程序实现，降低了数值实施复杂度。

摘要： 本发明公开一种用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力学方法。该方法首先将热障涂层材料结构离散成一系列包含物理信息的物质点，根据近场动力学线性化理论得出各项基本参数，在此基础上进行计算求解；将热障涂层材料结构的动态失效过程分为若干时间步进行计算，对每个增量步采用Verlet积分法迭代计算；结合近场动力学积分形式的热力耦合方程确定满足收敛性的热、力迭代时间步长，并计算物质点的温度、受力和位移情况，选用临界伸长率准则判定物质点对的断裂与否，统计近场范围内的物质点对断裂情况得到损伤值，基于损伤数值显示结构的失效破坏情况。本发明能够实现运用近场动力学求解复杂的热障涂层材料裂纹起裂和扩展问题。

摘要： 本发明涉及一种深部岩体键基近场动力学临界伸长率确定方法及系统，该方法为基于IA‑BP算法对试件临界伸长率的确定方法；利用分离式霍普金森压杆对所述试件进行动态断裂试验，得到N组训练样本；将步骤S11中得到的训练样本划分成训练集和测试集；设定BP神经网络参数、免疫参数；利用免疫算法优化BP神经网络对训练样本进行训练；利用训练好的BP神经网络模型来反演动态断裂韧度；利用动态断裂韧度计算键基近场动力学的临界伸长率；近场动力学理论模拟裂纹扩展。本发明利用智能算法对训练样本进行训练，然后根据实际情况利用智能算法实现对动态断裂韧度的反演进而确定临界伸长率，提高近场动力学的计算精度。

摘要： 本发明属于基于无网格方法的数值仿真技术领域，具体涉及一种基于“粒子对”积分形式的“键型”近场动力学方法。本发明针对问题域，将目标物体离散为一定体积的若干物质点；对离散的物质点在一定的近场域内进行邻域粒子搜索，将所有物质点与其邻域内物质点将形成一个个有序的“粒子对”；通过“粒子对”作用方式进行粒子应能密度积分求解，并对由于近场域截断导致材料刚度降低进行表面修正；最后，在时间积分循环内，采用“粒子对”形式进行近场力求解。本发明基于“键型”近场动力学方法以“粒子对”的形式代替传统邻域粒子全配对的形式进行近场力求解，克服了传统方法计算重复性问题，达到计算量减少、计算效率明显提升，时间成本降低的效果。

摘要： 本发明公开了一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法及系统，包括以下步骤：进行室内单颗粒压碎试验，测定单颗粒破碎强度试验值；建立单颗粒物质点模型；率定排斥力常数等模型参数；进行单颗粒破碎数值试验近场动力学模拟；获取单颗粒破碎强度模拟值与碎片分布。本发明方法解决了单颗粒破碎室内试验离散性大、成本高、周期长等问题。与传统的离散元方法相比，该方法在计算上可以更方便地考虑不规则颗粒的形状，且更易于校准细观力学参数，并用于获取准确的脆性颗粒破碎强度值，为进一步认识单颗粒破碎的细观力学机制和可破碎颗粒材料的宏观力学行为提供了有效技术手段。

摘要： 本发明涉及近场动力学问题的加速计算领域，尤其涉及近场动力学问题的GPU并行实施方法。本发明提供了近场动力学问题的GPU并行实施方法，利用GPU设备，使用其读写效率高的寄存器和共享内存进行计算，以及常量参数使用有广播机制的常量内存，从而实现了远高于现有方法的加速效果，克服了未能充分利用GPU设备和并行方案，导致的计算效率提升有限的问题。

摘要： 本发明公开了一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法，属于城市地质灾害模拟与预测技术领域；将地面沉降研究与力学领域新提出的近场动力学理论进行结合，在积分方程基础上建立近场动力学理论的模型，有效避免了在对象不连续处定义失效的问题，使得裂隙断裂等空间不连续结构成为模型中的一部分，在不增加附加函数定义的情况下，用统一的方程描述地层在开采地下水之后有效应力变化从而产生的地面沉降、裂缝、塌陷问题；本发明在统一框架下建立包含裂缝、塌陷等空间不连续现象的区域地面沉降数值模型，为城市地面沉降模拟预测与灾害防治提供数据支撑，能够在缺少先验知识的情况下，预测识别随着地面沉降演化可能出现的地裂缝、地面塌陷现象。