模拟高度动力学多尺度问题的离散―连续体耦合方法

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高附加值智能材料制造是未来的关键技术产业，这也给人们带来了诸多重要挑战。一个是要研究材料的微观结构，不仅要能改善材料的性质而且还要寻求新的性质；另一个是要研制微米级或纳米级的复合材料，从结构配置上获取所需要的物理性质，这些都扩展了材料设计的新领域。其他挑战则是寻求新的制造过程把上述新材料制造出来，并且产生商业价值。从材料的配置到生产，必须运用数值设计手段来追踪从纳米尺度到宏观尺度的演化过程（包括模拟和优化）。

作者发现从纳米尺度到微观尺度，典型的方法是采用从头开始计算的方法和分子动力学方法；而从毫米尺度到米的尺度也有大量的计算方法，工程界中最著名的方法是有限元法。但是，从微米尺度到几个厘米的尺度，存在一个死谷需要跨越。需要考虑在样品尺度或成分尺度（几个厘米）的材料内部，间断和微米结构的特征对材料性状究竟起什么作用。上一世纪人们试图采用离散元方法来模拟连续的材料。此法在历史上也用来处理颗粒材料，诸如土壤、土木工程材料和药物粉体。某些最近的进展给出新的简单方法来定量模拟连续材料以及从材料尺度的微米级相互作用过渡到成分尺度的经典宏观性质（应力和应变、热传导性、裂纹、损伤、电阻，等）。

在这一套讨论离散元模型和对连续材料进行模拟的书中，作者拟介绍和阐释这一领域中从2010年以来的主要进展。第一卷以简洁的方式阐释构筑离散元模拟的数值方法，它能正确地给出诸如杨氏模量、泊松比、热传导系数等材料性质。然后，再来说明这一数学手段为分析和模拟一个部件是如何发生开裂、损伤以致最终失效的过程，提供一个新的有效的方法。第二卷中，作者在离散元法和连续体数值方法（例如有约束的自然单元法）之间提供耦联（coupling （bridging）），从而在微观性质和间断主导材料性状的区域集中使用边界元法，而在认为材料是连续且均质的区域采用连续体的计算方法。

高度动力学的耦联尺度问题长期以来对人们提出了挑战，本书阐释如何适当地选择耦联参数来避免假波反射，以及允许所有的动力学信息既从粗模型正确地通向细模型，也从细模型通向粗模型。作者还给出这种耦联方法应用于高度动力学问题的一个例子：激光对玻璃的冲击加工。

本书共分2部分，第1部分 模拟高度动力学多尺度问题的离散-连续体耦合方法，含第1-3章：1.现状：同步的离散-连续体耦合；2.选择连续体方法来和离散元法相耦合；3.DEM和CNEM之间的离散-连续体耦合方法的开发。第2部分 应用：激光对石英玻璃冲击处理的模拟，含第4-6章：4.激光冲击处理的几个基本概念；5.石英玻璃性状的建模；6.激光对石英玻璃冲击处理的模拟。

谈庆明，教授

（中国科学院力学研究所）