物质点法的理论和应用

物质点法采用质点离散材料区域,用背景网格计算空间导数和求解动量方程,避免了网格畸变和对流项处理,兼具拉格朗日和欧拉算法的优势,非常适合模拟涉及材料特大变形和断裂破碎的问题.本文详细论述了物质点法在基本理论、算法和软件开发方面的进展,包括广义插值物质点法、接触算法、自适应算法、并行算法、与其他算法的杂交和耦合等.系统地总结了物质点法在超高速碰撞、冲击侵彻、爆炸、动态断裂、流固耦合、多尺度分析、颗粒材料流动和岩土失效等一系列涉及材料特大变形问题中的应用,展示了其相对于传统数值计算方法的优势.

冲击爆炸问题的三维物质点法数值仿真

基于物质点法(Material Point Method,MPM)模拟超高速碰撞和爆炸问题时呈现的特点,概述对MPM及其应用的扩展,包括:将MPM扩展应用于超高速碰撞问题,物质点有限元法(MaterialPoint Finite Element Method,MPFEM),杂交MPFEM,MPM质点自适应法,基于局部多重背景网格的接触算法和并行MPM算法.在此基础上开发针对冲击爆炸问题的三维显式并行MPM数值仿真软件MPM3D.MPM3D采用C++语言开发,并基于Qt和VTK开发图形用户界面PeneBlast,可在Windows,Linux和Mac OS等多种平台上运行.关于超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效和金属切削等问题的大量实例表明MPM3D的可靠性和准确性.MPM3D可作为航天器空间碎片防护、常规武器研发与防护等的有效设计工具.

空间碎片防护问题的物质点无网格法与软件系统

空间碎片超高速撞击的防护是航天器结构设计须重点考虑的问题,超高速撞击过程的极强非线性对传统数值方法提出了巨大挑战。作为新兴的无网格法的一种,物质点法易于处理超大变形、断裂破碎和高速碰撞中的大量接触过程,非常适合求解超高速碰撞问题。对物质点法的算法理论进行了多项改进,自主研发了三维物质点法软件系统MPM3D,从多个角度模拟分析了空间碎片的超高速碰撞问题。模拟结果与实验吻合良好,能够正确再现开坑、层裂、碎片云等超高速碰撞典型现象,易于通过材料内禀结构建模研究泡沫、蜂窝等材料的撞击吸能和防护能力,显示出物质点法及其软件系统可以作为超高速碰撞的有力数值分析手段。

强冲击问题的物质点有限元法

材料和结构在强冲击载荷作用下表现出很强的非线性,出现超大变形、断裂、破碎,甚至出现相变、熔化、气化等现象,对数值模拟分析提出了巨大挑战,有限元法等基于网格的传统数值分析方法不易有效地求解此类问题。物质点法中使用一组拉格朗日质点和一套欧拉背景网格,质点用以离散物质区域,携带质量、速度、应力、能量等物理量,背景网格用以计算空间导数及求解动量方程。物质点法兼具拉格朗日格式和欧拉格式的优点,不会出现网格畸变问题,易于跟踪历史变量和物质界面,非常适合求解强冲击问题。但物质点法在小变形问题中的精度和效率均低于显式有限元法,钢筋混凝土冲击等问题中各组成部分的特征尺寸差别较大,也对物质点离散提出了挑战。该报告介绍了研究组针对上述物质点法的不足,所发展的针对强冲击问题的物质点法与有限元法的贯通结合方法。该报告首先扼要介绍了物质点法的基本理论,指出物质点法与有限元法在理论上的相似性,给出两者相互结合的理论基础。之后依次阐述了耦合物质点有限元法、自适应物质点有限元法和杂交物质点有限元法,详细论述了这些方法的基本思想和理论,给出了这些方法用于侵彻等强冲击问题的实例,显示出其相对于标准物质点法的精度与效率优势。耦合物质点有限元法的基本思想是采用有限元法离散小变形物体、用物质点法离散大变形物体,不同离散区域之间通过接触算法相互耦合。报告详细介绍了耦合过程的处理,主要包括接触探测、接触法线计算、接触力计算以及考虑两者接触情况下的时间积分。自适应物质点有限元法的基本思想是初始时采用有限元离散全部区域,在计算过程中将可能发生畸变或破坏的单元自动转化为物质点求解。报告详细介绍了实现单元到质点的自动转化的转化算法,包括转化判据和转化方案,以及不同离散区域间的相互作用与相互接触的处理。杂交物质点有限元法主要针对钢筋混凝土冲击等问题,其基本思想是采用杆单元离散钢筋,采用质点离散混凝土。报告详细介绍了如何通过背景网格实现不同离散格式相互作用和变形协调,讨论了钢筋失效的模拟方案。上述方法充分发挥了物质点法和有限元法各自的优势,克服了其不足,较之标准物质点法和传统有限元法能够更有效地模拟强冲击载荷问题。通过这些方法的研究,建立了物质点有限元贯通框架,从理论上推动了物质点法和有限元法的深化研究,为相关设计分析工作提供了强有力的数值手段,对工程问题的高效解决具有重要应用价值。

金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术,在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间.该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题.本文针对其中涉及的若干关键力学问题,阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展,并对金属增材制造的结构设计-制造模拟-性能评价的发展趋势进行了展望.

第十八届美国理论与应用力学大会总结

1会议概况2018年6月5—9日，第18届美国理论与应用力学大会(18th U.S.National Congress of Theoretical and Applied Mechanics,USNCTAM2018)在美国芝加哥召开.本次大会由美国力学国家委员会和中国力学学会联合主办，旨在探讨和交流近四年世界范围内在理论和应用力学领域的基础研究、创新技术的最新进展，吸引了来自世界各地的近千名专家学者参会，其中近300人来自中国.本次会议分为固体力学、流体力学、计算力学、生物力学和动力学与控制五大专题，并增设了博士与博士后职业发展研讨会和女性研究人员社交活动.大会由美国塔夫斯大学曲建民教授、美国西北大学Wing Kam Liu教授、浙江大学杨卫院士(中国力学学会理事长)和北京理工大学方岱宁院士(中国力学学会副理事长)担任共同主席.本次大会展现了中国科学研究在力学领域的雄厚力量，多数学者报告了近两年在国际前沿方向的研究成果.

金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术主题序

增材制造(亦称"3D打印")是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体构件的新兴制造技术,涉及力学、光学、材料、机械、控制、计算机、软件等学科的交叉融合,已成为现代制造业最具代表性的颠覆性技术,也是《中国制造2025》规划的重要发展方向。金属增材制造是3D打印技术的一个主要分支,一般常采用高能束(激光、电子束等)作为输入热源,通过熔化离散金属材料(粉材、丝材)进行逐层叠加打印制件.

激光定向能量沉积的粉末尺度多物理场数值模拟

激光定向能量沉积技术作为一种同轴送粉式金属增材制造技术,以其制造效率高、成形尺寸大等优势在航空、航天、交通等领域具有广阔的应用前景.然而,该技术在金属零件的尺寸精度和形状精度控制方面存在诸如尺寸偏差大、表面不平整等控形问题,亟需发展高效高精度预测熔覆层成形尺寸形貌的数值模拟方法.针对该问题,本文建立了考虑激光-粉末-熔池交互过程的高保真多物理场数值模型.其中,采用高斯面热源等效激光光束,利用拉格朗日质点法求解粉末输送及其与激光交互的过程,进一步结合有限体积法和流体体积法求解粉末-熔池的交互及其流动凝固过程,并通过TC17合金单道熔覆层实验结果进行了验证.基于该模型,首先预测了不同工艺参数下单道熔覆层形貌尺寸,并对熔覆层形貌的变化趋势及其内在的物理机理进行了深入分析.结果表明,依赖于工艺参数的粉末温度分布和粉末基板能量分配比例对熔池流场和熔覆层尺寸有显著的影响.本文所建立的数值模型可辅助激光定向能量沉积增材制造技术控形工艺参数优化,所得结论可为成形件尺寸和形状精度控制提供理论指导.

金属增材制造数值模拟

金属增材制造过程是一个多尺度多物理场耦合问题,包括复杂的传热传质、相变和材料微观组织演化等物理现象.因此,本文从传热传质和材料微观组织演化两个方面,详细论述了金属增材制造的数值模拟研究现状.以所关注的物理现象和求解问题的尺度不同为主线归纳了已有的热源模型、传热传质数值计算模型(包括粉末尺度的高保真热流耦合模型、基于连续体假设的热流耦合模型、基于连续体假设的热传导模型)和微观组织演化预测模型(包括相场模型、元胞自动机法、动力学蒙特卡洛法),并分析了各个模型的优势和适用范围,进一步论述了"过程-组织-性能"集成耦合模拟模型.在此基础上,总结了金属增材制造数值模拟面临的挑战和发展趋势.