计算力学前沿分享：颗粒复合材料、DEM冲击模拟、流固耦合、分子动力学

8月前浏览10429

本文摘要（由AI生成）：

这篇文章的摘要基于 SPH 法对返回舱入水载荷进行了模拟分析。文章首先通过模拟平板和楔形体两种算例模型的入水过程，并与相关文献的试验结果对比，验证了算法的有效性。然后，对返回舱的入水过程进行模拟，结果显示返回舱入水速度和倾角对砰击有较大影响，并且存在二次砰击现象。最后文章表明，SPH 气-液两相流算法能够较好地模拟返回舱入水过程。

文一：

DOI:10.7511jslx20220525002

一种颗粒复合材料物理性能计算模型与工程应用

摘要：

结合傅里叶描述子法与格林函数法提出了任意形状夹杂物的Eshelby张量计算方法，基于分步夹杂法建立了一种具有任意形状颗粒的复合材料物理性能预测理论模型。通过傅里叶描述子法对扫描电镜(SEM)图像中颗粒形貌进行数学表征，构建由多个细观结构参数组合的几何模型；利用格林函数求解夹杂物Eshelby张量，考虑颗粒形态、大小和组分性能，研究细观结构对颗粒复合材料有效性能的影响。在此基础上，设计了一款颗粒复合材料物理性能预测软件。以铜铬合金为研究对象，分析重构的细观模型与预测的结果，并与有限元计算结果进行对比，验证了该计算模型的有效性和可靠性，以及在工程计算应用中的可行性。

图：软件人机交互界面

图：SEM和合金重构细观结构

图：弹性性能计算结果显示界面

图：电导率预测可靠性验证

文二：

DOI:10.7511/js1x20220315002

不同重力场下颗粒冲击过程的离散元分析

摘要：

开展不同重力场下颗粒材料冲击动力学研究有助于加深对颗粒运动机制的理解和深空探测任务的实施。本文采用离散元模拟对颗粒介质受球形冲击物的冲击过程进行了数值模拟，并与地球重力下冲击的试验结果进行对比验证。在此基础上，进一步研究了重力加速度对冲击物动力学的影响规律。计算结果表明，在所有重力加速度下，冲击物的穿透深度d与冲击速度v。的关系可以用Poncelet模型表达；d与冲击物下落的总高度H表现为d~H”的幂律关系，当H<10m时，d与H的幂率标度为0.322，而H>10m时，d与H的幂率标度下降到0.211。此外，穿透深度小于冲击物半径时，重力加速度对冲击物减速过程无影响。在所有的重力加速度下，当冲击速度大于5m/s时，冲击物的持续碰撞时间t。是恒定的，且与重力的一1/2次方呈正比。

图：H1=0.5cm时，冲击力变化过程的试验结果和模拟结果与本文离散元计算值对比。

图：不同颗粒厚度下试验结果和模拟结果与本文离散元计算获得的底板最大冲击力

图：v=15m/s时，不同阶段的颗粒床切片图

图：冲击物的最终穿透深度随重力加速度和冲击速度的变化，内插图为系数α和3随重力加速度的变化

文三：

DOI:10.7511js1x20220610002

地震和风耦合作用下连体高层建筑联合易损性分析方法研究

摘要：

摘要：近年来，城市地标建筑的建设中，高层连体建筑越来越受到青睐，在其服役期内不可避免地受到风和地震等多种灾害作用。而单一灾害作用下的结构失效概率低估了结构损伤乃至倒塌的可能性，迫切需要多灾害作用下的结构安全性能评价方法。本文以苏州国际会议酒店的连体高层建筑为对象，开展了地震和风耦合作用下的联合易损性分析方法研究。首先，建立了地震和风耦合作用下的多灾害易损性函数和结构性能需求函数，形成了多灾害联合易损性分析方法。随后，选取了地震动记录，开展了基于数值风洞的结构风荷载模拟，并进行了单一灾害作用下的结构易损性分析。最后，基于均匀分布抽样了100组地震和风耦合作用的荷载组合，开展了结构多灾害联合易损性分析。结果表明，结构易损性随着PGA和风速的增大而增大；相比单一灾害作用，地震与风耦合作用下，结构各破坏状态的失效概率均有所增加；当风速达40/s时，罕遇地震作用下结构轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌破坏的概率相比仅地震作用时分别增加了1.13%，35.67%，84.00%和98.33%。本文研究为复杂高层建筑多灾害安全性能评价提供了可用工具和参考。

图：苏州市国际会议酒店项目

图：地震动记录

图：结构数值风洞模拟

图：地震与风耦合作用下联合易损性曲面与位移时程

文四：

DOI:10.7511/js1x20220615002

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

摘要：

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程，对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展，然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟，研究了具有不同初始缺陷（尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞）的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明，不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能，这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品，在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化；含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂，裂尖原子没有出现微结构的变化，其强度和抗断裂性能最低。此外，不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化，对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样，高应力（拉伸应力、平均应力和米塞斯应力）总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样，高应力不仅分

布在裂尖，也分布在位错发射和堆积层错形成的区域，在裂纹/孔洞扩展之前，应力随着加载时间的增加而迅速增加，而一旦裂纹或孔洞开始扩展，应力增加非常缓慢或几乎不增加，但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明，在I型加载条件下，纳米尺度下材料的断裂由拉应力（正应力）控制。

图：含不同初始缺陷样品的几何形状

图：含不同初始十陷样品的原子应力-应变曲线和断裂强度。

图：I型载荷作用下含初始缺陷的单晶镍拉伸应力场变形云图

图：三种不同样品的微观结构特征

图：t=310s处不同初始缺陷样品的裂纹/孔洞张开位移和不同初始缺陷样品的裂纹长度随加载时间的变化

文五：

DOI:10.7511jslx20220528002

基于SPH法的返回舱入水载荷模拟分析

摘要：

返回舱水上着落前期面临较大砰击，为研究过程中受到的砰击载荷，基于光滑粒子流体动力学(SPH)气-液两相流算法，首先通过模拟平板和楔形体两种算例模型的入水过程，并与相关文献的试验结果进行对比，验证算法的有效性。在此基础上，对返回舱的入水过程进行模拟。结果显示，两种算例模型的计算结果与相关文献试验结果吻合良好。返回舱入水速度和倾角对砰击有较大影响并且过程中存在二次砰击现象。砰击载荷随入水速度增大而增加。第一次砰击载荷峰值随倾角增大而减小，第二次砰击载荷峰值随倾角增大先增后减。结果表明，SPH气-液两相流算法能够较好地模拟返回舱入水过程。