顆粒材料計算力學(xué)專題序

季順迎

(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(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)和多尺度問題,以及高性能大規(guī)模計算等方面仍面臨著諸多亟待解決的問題.

《力學(xué)學(xué)報》組織了“顆粒材料計算力學(xué)”專題,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算力學(xué)研究領(lǐng)域上的最新研究進(jìn)展,為顆粒材料計算力學(xué)交叉領(lǐng)域的研究提供參考.

多相流動廣泛存在于自然界和工業(yè)應(yīng)用中,光滑粒子流體動力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics,SPH)已成為解決流動形態(tài)和界面跟蹤等多相流動的重要途徑.中國科學(xué)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(xué)方法的國內(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.

顆粒材料互相滑動會引起不可恢復(fù)的塑性變形和體系非均勻性,局部化的應(yīng)變場會導(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(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(xù)離散耦合分析方法進(jìn)行了不同主軸長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(xué)高政國等針對離散元方法中滾動阻力的精確計算問題,發(fā)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(xué)中速度無關(guān)型動能耗散的滯彈簧,對單個顆粒自由滾動的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,其結(jié)果較傳統(tǒng)的滾動模型具有更高的吻合度;西南交通大學(xué)王蕉等針對沖擊載荷下顆粒材料臨邊界區(qū)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(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爭關(guān)系,以期為超材料設(shè)計提供借鑒;英國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)動模型訓(xùn)練方法,通過顆粒材料多軸加卸載過程進(jìn)行訓(xùn)練和測試.深度學(xué)習(xí)方法有足夠的泛化能力,可預(yù)測多個加卸載循環(huán)的應(yīng)力響應(yīng),通過良好的內(nèi)插和外推預(yù)測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.本專題2 篇論文分別對顆粒材料計算力學(xué)在增材制造中滾筒鋪粉工藝設(shè)計和極地海洋工程結(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)張江濤等針對增材制造中滾筒鋪粉工藝參數(shù)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(zhuǎn)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?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,對極地船舶和導(dǎo)管架式海洋平臺結(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)立知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)值冰水池計算分析軟件系統(tǒng),解決了極地船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計、強(qiáng)度分析、疲勞評估和安全保障問題.

目前顆粒材料計算力學(xué)已發(fā)展成為一門涵蓋力學(xué)模型、數(shù)值仿真、工程材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、工業(yè)設(shè)計等多物理場和多介質(zhì)的綜合交叉學(xué)科.隨著我國“十四五”規(guī)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(chǔ)理論、試驗(yàn)方法和國產(chǎn)自主仿真軟件等得到前所未有的發(fā)展.本專題圍繞顆粒材料計算力學(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)雜工程問題提供了重要科學(xué)依據(jù).