交通與土木建筑學(xué)院教師在計算力學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《CMAME》發(fā)表論文

發(fā)表時間：2022-03-28

近日，計算力學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》（簡稱《CMAME》）在線發(fā)表了我校交通與土木建筑學(xué)院多尺度計算材料力學(xué)課題組與武漢大學(xué)以及英國蘭卡斯特大學(xué)等課題組合作完成的題為“Adaptive Stochastic Morphology Simulation and Mesh Generation of High-Quality 3D Particulate Composite Microstructures with Complex Surface Texture”的研究論文。論文第一作者和通訊作者為我校交通與土木建筑學(xué)院黃俊杰博士，第三作者為我校交通與土木建筑學(xué)院劉凌飛博士，論文合作者包括英國蘭卡斯特大學(xué)工程系葉建喬教授和武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院鄧方茜博士。

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種新型結(jié)構(gòu)材料有著廣闊的發(fā)展前景，常見的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料包括水泥基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。另一方面，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料有著極其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，精確地模擬其微觀結(jié)構(gòu)和快速地生成其計算網(wǎng)格對研究其微觀機(jī)理至關(guān)重要。該研究工作提出了一種顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)模擬和網(wǎng)格生成的高精度自適應(yīng)計算方法。為了實現(xiàn)高精度模擬顆粒內(nèi)含物微觀結(jié)構(gòu)，論文提出了一種多層級多尺度連續(xù)–離散微結(jié)構(gòu)描述法（圖a），不僅能通過分型布朗隨機(jī)場和平穩(wěn)高斯隨機(jī)場實現(xiàn)粗尺度和細(xì)尺度的模擬，還能通過熱核平滑技術(shù)實現(xiàn)粗尺度和細(xì)尺度之間的光滑無縫連接。在顆粒內(nèi)含物模擬方法的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步通過圖像處理技術(shù)提取真實顆粒內(nèi)含物的形態(tài)參數(shù)，并通過深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練優(yōu)化模擬結(jié)果，從而生成更加逼真的顆粒內(nèi)含物微觀結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料代表性體積單元（RVE）的快速生成，論文提出了一種雜交算法。首先通過“take-and-place”法生成初始隨機(jī)種子，然后通過“divide-and-fill”法將RVE分解成Voronoi胞元，并通過縮放（scaling）、細(xì)分（subdivision）以及融合（fusion）等運(yùn)算實現(xiàn)顆粒內(nèi)含物在RVE中的投放（圖b）。為克服復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)給計算網(wǎng)格生成和劃分造成的困難，論文提出了一種基于曲率和熱核平滑技術(shù)的多尺度網(wǎng)格劃分自適應(yīng)算法，可通過迭代控制生成高質(zhì)量計算網(wǎng)格。上述方法可用于快速生成高精度顆粒復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和計算網(wǎng)格（圖c-d），為進(jìn)行顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度研究提供了新思路。

《CMAME》期刊由美國科學(xué)院、美國工程院、美國藝術(shù)與科學(xué)院三院院士、計算力學(xué)國際權(quán)威專家、等幾何分析發(fā)明人Thomas J.R. Hughes教授等擔(dān)任主編，旨在發(fā)表計算科學(xué)與工程領(lǐng)域前沿原創(chuàng)性研究成果，為中科院一區(qū)Top期刊。

（交通與土木建筑學(xué)院）