多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说, 近场动力学(peri-dynamics,PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法. 概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热--力、湿--热--力、热--氧、热--力--氧、力--电、热--电、力--热--电、多孔介质的水--力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.      

多个含不同质量项的费米子矩阵求逆算法

在格点量子色动力学的模拟中,Rational Hybrid Monte Carlo (RHMC)算法是一种精确的,能应用到任意多个味道数的费米子的方法.它的思想是把费米子行列式展开为有理函数的形式.但该方法会带来很多彼此相差一个常对角矩阵的矩阵的求逆的计算,消耗大量的时间和计算资源,限制了RHMC算法的应用.本文利用移位多项式,针对共轭梯度法得到多个含有不同质量项的矩阵求逆的一种方法,该方法可以应用到RHMC算法中.     

从一个案例看《普通高中数学课程标准(实验)》

《普通高中数学课程标准(实验)》(以下简称《标准》)中列举了一些有创意的、新颖的、富有挑战性的参考案例．现从这些参考案例中选取第34页的案例1来分析．     

考虑相变的近场动力学热?力耦合模型及多孔介质冻结破坏模拟

多孔介质的传热传质现象广泛存在于自然界和工业领域中. 低温条件可能导致多孔介质中的组分发生相变, 并由此诱发材料损伤, 甚至导致结构失效破坏. 对这类破坏现象的预测需要精细化建模, 以能够反映物质的相变过程和材料的破坏特征. 本文采用热焓法改写经典的热传导方程, 在近场动力学框架下, 建立了一种考虑物质相变的热?力耦合模型, 发展了交错显式求解的数值计算方法, 进行了方板角冻结、热致变形和多孔介质冻结破坏等问题的模拟, 得到了方板的冻结特征、温度场和变形场的分布规律以及多孔介质的冻结破坏过程, 与试验和其他数值方法的结果具有较好的一致性. 研究表明, 本文所建立的考虑物质相变的近场动力学热?力耦合模型能够反映材料的非局部效应和物质相变潜热的影响, 准确捕捉相变过程中液固界面的演化特征, 再现多孔介质中材料相变、基质热致变形和冻结破坏过程, 突破了传统连续性模型求解这类破坏问题时面临的瓶颈, 为深入研究多孔介质冻融破坏过程和破坏机理提供了有效途径.      

Blast Damage Simulation With the Discontinuous Galerkin Finite Element Method of Bond⁃Based Peridynamics北大核心CSCD

近场动力学是一种积分型非局部的连续介质力学理论,已广泛应用于固体材料和结构的非连续变形与破坏分析中,其数值求解方法主要采用无网格粒子类的显式动力学方法.近年来,弱形式近场动力学方程的非连续Galerkin有限元法得到发展,该方法不仅可以描述考察体的非局部作用效应和非连续变形特性,还可以充分利用有限单元法高效求解的特点,并继承了有限元法能直接施加局部边界条件的优点,可有效避免近场动力学的表面效应问题.该文阐述了键型近场动力学的非连续Galerkin有限元法的基本原理,导出了计算列式,给出了具体算法流程和细节,计算模拟了脆性玻璃板动态开裂分叉问题,并对爆炸冲击荷载作用下混凝土板的毁伤过程进行了计算分析.研究结果表明,该方法能够再现爆炸冲击荷载作用下结构的复杂破裂模式和毁伤破坏过程,且具有较高的计算效率,是模拟结构爆炸冲击毁伤效应的一种有效方法.     

乙二醇-聚(咪唑丙基-天冬酰胺)-聚丙氨酸三嵌段共聚物的合成及其pH-响应性药物控制释放性能的研究

聚天冬氨酸及其衍生物是一种具有良好生物相容性和可生物降解性的高分子材料, 被广泛应用于生物医药领域. 本研究通过大分子引发剂ω-胺基-α-甲氧基聚乙二醇引发N-羧基-α-氨基环内酸酐开环聚合和N-(3-氨丙基)咪唑侧基改性, 制备了一种侧链含有咪唑丙基的聚乙二醇-聚(咪唑丙基-天冬酰胺)-聚丙氨酸三嵌段共聚物. 在水溶液中, 此聚合物可自组装形成一种核-壳-冠型的三层共聚物胶束, 其中疏水性的聚丙氨酸链段自聚集形成胶束的核, 聚(咪唑丙基-天冬酰胺)链段形成具有pH-响应性的壳层, 用于包埋和释放药物, 外围的聚乙二醇链段可以提供一个稳定的水合冠层, 延长药物的体内循环时间. 利用咪唑环与游离阿霉素之间的π-π相互作用和疏水相互作用可以在自组装的过程中将阿霉素包埋到胶束内. 研究发现, 载药胶束随环境pH 值的降低药物的释放速率显著增加. 这主要是由于咪唑环在酸性条件下的质子化导致链段亲疏水性质发生明显变化.     

多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说,近场动力学(peri-dynamics, PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法.概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热–力、湿–热–力、热–氧、热–力–氧、力–电、热–电、力–热–电、多孔介质的水–力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.     

冲击载荷作用下颗粒材料动态力学响应的近场动力学模拟

颗粒材料在冲击载荷作用下的动态力学行为是学术界关注的热点问题. 新近问世的近场动力学(peridynamics)理论将材料视为由大量有限体积和有限质量的物质点组成,基于非连续性和非局部作用假定建模,建立空间积分形式的运动方程,自然适应于颗粒材料动态力学行为的描述与分析. 发展了描述颗粒间接触作用的物质点尺度的排斥力模型,考虑近场动力学方法中非局部长程力特征,改进了近场动力学中的初始微观弹脆性(prototype microelastic brittle, PMB) 模型的本构力函数,并消除了原PMB 模型中存在的“边界效应” 问题. 计算分析了冲击载荷作用下碳化钨陶瓷颗粒体系的动态力学响应,得到了不同冲击速度下颗粒体系的冲击波速,PD计算结果与试验结果高度一致;通过颗粒物质点尺度作用描述单颗粒尺度的接触作用,很好地再现了颗粒的转动与平动、颗粒挤压变形以及颗粒破碎等现象;刚性冲击板附近同时存在严重的颗粒破碎与轻微的颗粒损伤,远离冲击板的部分颗粒出现破损,且颗粒破碎主要是由颗粒间挤压、碰撞以及相对滑动剪切作用造成的. 研究结果表明,所发展的计算模型和分析方法能很好地反映颗粒材料动态力学行为,具有广泛的应用价值.      

基于粗粒化分子动力学的自由水与水化硅酸钙孔隙水冻结模拟

水化硅酸钙是水泥基材料的主要水化产物,其孔隙内的水分是影响水泥基材料抗冻性的主要因素。本文基于粗粒化分子动力学方法研究水化硅酸钙孔隙水的冻结机制,针对水的粗粒化P₄粒子和水化硅酸钙胶体颗粒,建立了水化硅酸钙孔隙水的冻结模型。根据此模型计算了不同孔径孔隙水冰点,分析了水泥基材料孔径孔隙在冻融破坏中的危害程度;模拟得到了水化硅酸钙孔隙内水的冻结分布特征和密度分布特征。研究工作表明,本文建立的模型有效提高了分子动力学模拟水化硅酸钙孔隙水冻结问题的规模,为后续进行水泥基材料的冻融破坏分析提供了研究基础。     

近场动力学与有限元的混合建模方法

综述了近场动力学与有限元混合建模方法的研究进展,阐明了各种混合建模方法的基本原理与特点,并重点介绍本课题组在近场动力学与有限元方法混合建模方面的研究工作。现有近场动力学与有限元混合建模方法包括位移协调约束、力耦合、混合函数方法以及子模型方法等,除子模型方法外,都可归结为并行式多尺度分析方法,其基本思想是将计算结构划分为近场动力学子域、有限元子域以及两者的交界区域(或重叠区域、或界面单元、或过渡区域)。子模型方法可归结为显-显分析方法,先采用显式有限元进行整体分析,后采用近场动力学方法对重点区域进行分析。混合建模方法需要着重提高交界区域的计算精度,并且消除虚假力和虚假应力波问题。提出了通过力耦合的近场动力学与有限元混合建模的隐式分析方法,该方法不再设置重叠区,通过杆单元连接近场动力学子域与有限元子域,其中界面上的有限元结点不仅与其所在单元的其他结点发生作用,还通过杆单元与以其为圆心、一定半径的圆域内的其他物质点相互作用。研究表明,本文提出的混合模型和求解方法既能有效解决裂纹扩展等不连续问题,又可提高计算效率,为工程结构破坏问题的计算分析提供一种有效方法。