顆粒材料計算力學專題序

季順迎

(大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧大連 116023)

顆粒材料廣泛地存在于自然環境、工業生產和日常生活等諸多領域,其受加載速率、約束條件等因素的影響具有復雜的力學行為.顆粒材料常與流體介質、工程結構物耦合作用并共同組成復雜的顆粒系統,并呈現出非連續性、非均質性的復雜力學特性.目前,離散元方法已成為解決不同工程領域顆粒材料問題的有力工具,然而其在真實顆粒形態的構造、接觸算法、顆粒與流體及工程結構的耦合模型、多介質和多尺度問題,以及高性能大規模計算等方面仍面臨著諸多亟待解決的問題.

《力學學報》組織了“顆粒材料計算力學”專題,7 篇綜述或研究論文分別從研究進展、理論模型及工程應用方面反映了顆粒材料計算力學研究領域上的最新研究進展,為顆粒材料計算力學交叉領域的研究提供參考.

多相流動廣泛存在于自然界和工業應用中,光滑粒子流體動力學(smoothed particle hydrodynamics,SPH)已成為解決流動形態和界面跟蹤等多相流動的重要途徑.中國科學院過程工程研究所陳飛國等圍繞多相流動中光滑粒子流體動力學方法的國內外研究現狀,全面綜述了基于SPH 在多相流模擬的多種研究方法,包含SPH 理論模型、多相流模擬及耦合方法、近似修正及張力不穩定性等,并結合當前研究現狀及挑戰為提高SPH 方法模擬多相流精度及效率方面提供建議.

顆粒材料互相滑動會引起不可恢復的塑性變形和體系非均勻性,局部化的應變場會導致顆粒材料具有高度復雜的力學響應,這些復雜的特性使得顆粒材料理論模型成為研究的熱點和難點問題.本專題分別從顆粒材料的自由體積分布模型、滾動摩阻模型、波傳播理論、深度學習及力學本構關系等方面進行了深入分析.武漢大學鄒宇雄等針對橢球顆粒體系剪切過程中自由體積的分布與演化特性問題,采用連續離散耦合分析方法進行了不同主軸長度的橢球顆粒試樣的三軸剪切數值模擬,研究了非球形顆粒材料在剪切過程中自由體積的分布及演化規律,揭示了局部自由體積收縮和膨脹間相互博弈過程及局部孔隙比的非對稱拉普拉斯分布特性;北京航空航天大學高政國等針對離散元方法中滾動阻力的精確計算問題,發展了一種新型的離散元滯彈性滾動阻力模型.該模型采用基于摩擦學中速度無關型動能耗散的滯彈簧,對單個顆粒自由滾動的模擬結果與試驗結果進行了對比,其結果較傳統的滾動模型具有更高的吻合度;西南交通大學王蕉等針對沖擊載荷下顆粒材料臨邊界區域的波動行為及變形特征問題,分析了沖擊載荷作用下顆粒材料內部應力波的傳播行為,探究了局部孔隙率和顆粒排列方式對臨邊界區域和中心區域應力波傳播的影響,并結合波前形狀理論分析了應力波匯聚和彌散的相互競爭關系,以期為超材料設計提供借鑒;英國Swansea 大學瞿同明等將深度學習和細觀力學相結合研究了顆粒材料的本構關系,提出了基于深度循環神經網絡的顆粒材料應力?應變數據驅動模型訓練方法,通過顆粒材料多軸加卸載過程進行訓練和測試.深度學習方法有足夠的泛化能力,可預測多個加卸載循環的應力響應,通過良好的內插和外推預測能力可建立多種加載工況下顆粒材料的主應力?主應變預測模型.

最后,顆粒材料的離散元方法具有廣闊的工程應用前景.本專題2 篇論文分別對顆粒材料計算力學在增材制造中滾筒鋪粉工藝設計和極地海洋工程結構冰載荷數值冰水池的工程應用進行了詳細介紹.華僑大學張江濤等針對增材制造中滾筒鋪粉工藝參數對尼龍粉體鋪展性影響問題,采用離散元方法模擬了不同鋪粉層厚、滾筒直徑、滾筒旋轉速度和平移速度下尼龍粉末的滾筒鋪展過程,建立了沉積分數、覆蓋率和沉積速率等粉體鋪展性指標的回歸模型并與試驗結果進行對比驗證,為滾筒鋪粉工藝參數的多目標優化提供指導;大連理工大學季順迎等針對基于多介質、多尺度離散元方法的冰載荷數值冰水池問題,詳細論述了海冰物理力學性質的數值建模、冰?水?工程結構的耦合數值算法、數值冰水池的軟件實現和試驗驗證,對極地船舶和導管架式海洋平臺結構的冰載荷和力學響應進行了離散元分析和驗證,形成了具有獨立知識產權的數值冰水池計算分析軟件系統,解決了極地船舶與海洋工程結構的抗冰設計、強度分析、疲勞評估和安全保障問題.

目前顆粒材料計算力學已發展成為一門涵蓋力學模型、數值仿真、工程材料、復雜結構、工業設計等多物理場和多介質的綜合交叉學科.隨著我國“十四五”規劃的逐步開展,以顆粒材料為背景的工程問題得到高度重視,這將促使其基礎理論、試驗方法和國產自主仿真軟件等得到前所未有的發展.本專題圍繞顆粒材料計算力學領域組織的7 篇論文,為解決顆粒材料領域多介質多尺度的復雜工程問題提供了重要科學依據.