Materials: 一种基于近场动力学的随机异质结构材料微力学建模方法
由于固体力学的经典理论依赖于偏微分方程，因此在应用于材料失效时本身就受到限制。裂纹尖端不存在空间导数引入了奇异性，通过稳定数值建模的补充关系来缓解奇异性。这需要重新表述连续介质力学的基本方程，以便普遍应用，而不管变形引起的不连续性如何。为了解决这个问题，人们提出了一种称为近场动力学的替代方法，该方法使用积分方程，并在不连续的情况下保持数学结构的完整性。虽然先前的研究大多对应于此类材料的宏观尺度分析，但目前的研究实现了一种基于状态的多尺度近场动力学框架，以实现随机非均质结构材料的有效性能计算。为此，本研究提出了一种包含多相随机微结构的数值模拟框架，赋予其近场动力学材料模型，并在不同交互长度尺度下进行求解。为了预测高度异质结构材料的本构行为和断裂响应，挑战在于建立能够处理超过相体积分数的技术。基于此，来自University of Rhode Island的Sumeru Nayak等人提出了一种基于近场动力学的微力学分析框架，可以有效地处理随机异质结构材料的材料失效。与传统的基于连续体的方法相比，这种方法可以处理断裂等不连续性，而无需补充数学关系。这里介绍的框架根据材料的微观结构信息生成代表性的晶胞，并为随机异质微观结构中的组成相分配不同的材料行为。该框架结合了基于近场动力学中临界拉伸准则的自发失效起始/传播，并预测材料的有效本构响应。目前的框架应用于金属颗粒增强水泥基复合材料。模拟的机械响应与实验观察结果非常吻合，表明基于近场动力学的微力学框架对异质复合材料的有效性。因此，基于多尺度近场动力学的框架可以有效地促进一大类夹杂物修饰的随机异质材料的微观结构引导材料设计。图1：样品砂浆晶胞，用于描述近场动力学中的无网格方法，与有限元（FE）网格形成对比图2：在铁粉( 10 % )改性的HCP中观察到与施加的拉伸应变相对应的渐进损伤。损伤始于铁颗粒-HCP 界面，并随着应变的增加而传播。超过峰值应变后，沿界面的损伤会聚结，从而引发基质损伤。此后，基质损伤随着菌株的增加而继续传播图3：模拟不同铁粉掺量膏体在HCP中的拉伸本构响应，清楚地说明了较高剂量下拉伸强度的增加图4：在铁粉( 10 % )改性砂浆中观察到与施加拉伸应变相对应的渐进损伤(界面/基体)。较弱的界面意味着损伤的开始程度远低于峰值应变。随着界面损伤的传播，基体中的应力不断增加。导致界面损伤的脱键终止于基体损伤的起始点，这与基体的拉伸强度相对应。对于更高的应变，损伤在基体中传播，从而表征峰后响应。图5：实验和模拟(近场动力学和有限元( FE ))方法之间的相关性) ；( a )杨氏模量；( b )抗拉强度；( c )不同废铁粉掺量的砂浆的断裂能总体而言，与经典连续介质力学中使用的微分方程不同，基于近场动力学的方法可以在涉及积分方程的稳健而高效的计算中处理由变形引起的不连续性。此外，基于状态的近场动力学的实现为传统的本构材料模型和基于纳米级分子动力学的模拟提供了可扩展性。这样开发的预测工具可能提供了一种有效的方法来定制各种夹杂物掺入复合材料的微观结构，以实现最佳性能。
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