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交通与土木建筑学院教师在计算力学领域国际顶级期刊《CMAME》发表论文

发表时间:2022-03-28

日,计算力学领域国际顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》(简称《CMAME)在线发表了我校交通与土木建筑学院多尺度计算材料力学课题组与武汉大学以及英国兰卡斯特大学等课题组合作完成的题为“Adaptive Stochastic Morphology Simulation and Mesh Generation of High-Quality 3D Particulate Composite Microstructures with Complex Surface Texture”的研究论文。论文第一作者和通讯作者为我校交通与土木建筑学院黄俊杰博士,第三作者为我校交通与土木建筑学院刘凌飞博士,论文合作者包括英国兰卡斯特大学工程系叶建乔教授和武汉大学土木建筑工程学院邓方茜博士。

颗粒增强复合材料作为一种新型结构材料有着广阔的发展前景,常见的颗粒增强复合材料包括水泥基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。另一方面,颗粒增强复合材料有着极其复杂的微观结构,精确地模拟其微观结构和快速地生成其计算网格对研究其微观机理至关重要。该研究工作提出了一种颗粒增强复合材料多尺度结构模拟和网格生成的高精度自适应计算方法。为了实现高精度模拟颗粒内含物微观结构,论文提出了一种多层级多尺度连续离散微结构描述法(图a),不仅能通过分型布朗随机场和平稳高斯随机场实现粗尺度和细尺度的模拟,还能通过热核平滑技术实现粗尺度和细尺度之间的光滑无缝连接颗粒内含物模拟方法的基础上,可进一步通过图像处理技术提取真实颗粒内含物形态参数,并通过深度学习训练优化模拟结果,从而生成更加逼真的颗粒内含物微观结构。为实现颗粒增强复合材料代表性体积单元(RVE)的快速生成,论文提出了一种杂交算法。首先通过“take-and-place”法生成初始随机种子,然后通过“divide-and-fill”法将RVE分解成Voronoi胞元,并通过缩放(scaling)、细分(subdivision)以及融合(fusion)等运算实现颗粒内含物在RVE中的投放(图b)。为克服复杂微观结构给计算网格生成和划分造成的困难,论文提出了一种基于曲率和热核平滑技术的多尺度网格划分自适应算法,可通过迭代控制生成高质量计算网格。上述方法可用于快速生成高精度颗粒复合材料微观结构和计算网格(图c-d,为进行颗粒增强复合材料多尺度研究提供了新思路。

CMAME》期刊由美国科学院、美国工程院、美国艺术与科学院三院院士、计算力学国际权威专家、等几何分析发明Thomas J.R. Hughes教授等担任主编,旨在发表计算科学与工程领域前沿原创性研究成果,为中科院一区Top期刊。

(交通与土木建筑学院)

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