顆粒材料計(jì)算力學(xué)專(zhuān)題序

季順迎

(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023)

顆粒材料廣泛地存在于自然環(huán)境、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等諸多領(lǐng)域,其受加載速率、約束條件等因素的影響具有復(fù)雜的力學(xué)行為.顆粒材料常與流體介質(zhì)、工程結(jié)構(gòu)物耦合作用并共同組成復(fù)雜的顆粒系統(tǒng),并呈現(xiàn)出非連續(xù)性、非均質(zhì)性的復(fù)雜力學(xué)特性.目前,離散元方法已成為解決不同工程領(lǐng)域顆粒材料問(wèn)題的有力工具,然而其在真實(shí)顆粒形態(tài)的構(gòu)造、接觸算法、顆粒與流體及工程結(jié)構(gòu)的耦合模型、多介質(zhì)和多尺度問(wèn)題,以及高性能大規(guī)模計(jì)算等方面仍面臨著諸多亟待解決的問(wèn)題.

《力學(xué)學(xué)報(bào)》組織了“顆粒材料計(jì)算力學(xué)”專(zhuān)題,7 篇綜述或研究論文分別從研究進(jìn)展、理論模型及工程應(yīng)用方面反映了顆粒材料計(jì)算力學(xué)研究領(lǐng)域上的最新研究進(jìn)展,為顆粒材料計(jì)算力學(xué)交叉領(lǐng)域的研究提供參考.

多相流動(dòng)廣泛存在于自然界和工業(yè)應(yīng)用中,光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics,SPH)已成為解決流動(dòng)形態(tài)和界面跟蹤等多相流動(dòng)的重要途徑.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所陳飛國(guó)等圍繞多相流動(dòng)中光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)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(wěn)定性等,并結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)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(dòng)會(huì)引起不可恢復(fù)的塑性變形和體系非均勻性,局部化的應(yīng)變場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致顆粒材料具有高度復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng),這些復(fù)雜的特性使得顆粒材料理論模型成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題.本專(zhuān)題分別從顆粒材料的自由體積分布模型、滾動(dòng)摩阻模型、波傳播理論、深度學(xué)習(xí)及力學(xué)本構(gòu)關(guān)系等方面進(jìn)行了深入分析.武漢大學(xué)鄒宇雄等針對(duì)橢球顆粒體系剪切過(guò)程中自由體積的分布與演化特性問(wèn)題,采用連續(xù)離散耦合分析方法進(jìn)行了不同主軸長(zhǎng)度的橢球顆粒試樣的三軸剪切數(shù)值模擬,研究了非球形顆粒材料在剪切過(guò)程中自由體積的分布及演化規(guī)律,揭示了局部自由體積收縮和膨脹間相互博弈過(guò)程及局部孔隙比的非對(duì)稱(chēng)拉普拉斯分布特性;北京航空航天大學(xué)高政國(guó)等針對(duì)離散元方法中滾動(dòng)阻力的精確計(jì)算問(wèn)題,發(fā)展了一種新型的離散元滯彈性滾動(dòng)阻力模型.該模型采用基于摩擦學(xué)中速度無(wú)關(guān)型動(dòng)能耗散的滯彈簧,對(duì)單個(gè)顆粒自由滾動(dòng)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,其結(jié)果較傳統(tǒng)的滾動(dòng)模型具有更高的吻合度;西南交通大學(xué)王蕉等針對(duì)沖擊載荷下顆粒材料臨邊界區(qū)域的波動(dòng)行為及變形特征問(wèn)題,分析了沖擊載荷作用下顆粒材料內(nèi)部應(yīng)力波的傳播行為,探究了局部孔隙率和顆粒排列方式對(duì)臨邊界區(qū)域和中心區(qū)域應(yīng)力波傳播的影響,并結(jié)合波前形狀理論分析了應(yīng)力波匯聚和彌散的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,以期為超材料設(shè)計(jì)提供借鑒;英國(guó)Swansea 大學(xué)瞿同明等將深度學(xué)習(xí)和細(xì)觀力學(xué)相結(jié)合研究了顆粒材料的本構(gòu)關(guān)系,提出了基于深度循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒材料應(yīng)力?應(yīng)變數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型訓(xùn)練方法,通過(guò)顆粒材料多軸加卸載過(guò)程進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試.深度學(xué)習(xí)方法有足夠的泛化能力,可預(yù)測(cè)多個(gè)加卸載循環(huán)的應(yīng)力響應(yīng),通過(guò)良好的內(nèi)插和外推預(yù)測(cè)能力可建立多種加載工況下顆粒材料的主應(yīng)力?主應(yīng)變預(yù)測(cè)模型.

最后,顆粒材料的離散元方法具有廣闊的工程應(yīng)用前景.本專(zhuān)題2 篇論文分別對(duì)顆粒材料計(jì)算力學(xué)在增材制造中滾筒鋪粉工藝設(shè)計(jì)和極地海洋工程結(jié)構(gòu)冰載荷數(shù)值冰水池的工程應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹.華僑大學(xué)張江濤等針對(duì)增材制造中滾筒鋪粉工藝參數(shù)對(duì)尼龍粉體鋪展性影響問(wèn)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(zhuǎn)速度和平移速度下尼龍粉末的滾筒鋪展過(guò)程,建立了沉積分?jǐn)?shù)、覆蓋率和沉積速率等粉體鋪展性指標(biāo)的回歸模型并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,為滾筒鋪粉工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化提供指導(dǎo);大連理工大學(xué)季順迎等針對(duì)基于多介質(zhì)、多尺度離散元方法的冰載荷數(shù)值冰水池問(wèn)題,詳細(xì)論述了海冰物理力學(xué)性質(zhì)的數(shù)值建模、冰?水?工程結(jié)構(gòu)的耦合數(shù)值算法、數(shù)值冰水池的軟件實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)極地船舶和導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰載荷和力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了離散元分析和驗(yàn)證,形成了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)值冰水池計(jì)算分析軟件系統(tǒng),解決了極地船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、疲勞評(píng)估和安全保障問(wèn)題.

目前顆粒材料計(jì)算力學(xué)已發(fā)展成為一門(mén)涵蓋力學(xué)模型、數(shù)值仿真、工程材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、工業(yè)設(shè)計(jì)等多物理場(chǎng)和多介質(zhì)的綜合交叉學(xué)科.隨著我國(guó)“十四五”規(guī)劃的逐步開(kāi)展,以顆粒材料為背景的工程問(wèn)題得到高度重視,這將促使其基礎(chǔ)理論、試驗(yàn)方法和國(guó)產(chǎn)自主仿真軟件等得到前所未有的發(fā)展.本專(zhuān)題圍繞顆粒材料計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域組織的7 篇論文,為解決顆粒材料領(lǐng)域多介質(zhì)多尺度的復(fù)雜工程問(wèn)題提供了重要科學(xué)依據(jù).