离散元与有限元结合的多尺度模拟在材料破坏分析中的应用

【资源摘要信息】: "离散元与有限元结合的多尺度方法及其应用，通过将离散元和有限元相结合，解决复杂结构和非均质材料在冲击响应和破坏机理分析中的多尺度计算问题。这种方法在微观层面采用离散元模拟，宏观层面则运用有限元，以节省计算资源。通过特殊过渡层连接两种方法的计算区域，并以激光辐照预应力铝板的破坏响应为例，验证了该方法的有效性，并与实验结果进行了对比。离散元方法常用于模拟岩石、颗粒介质等的力学行为，而有限元方法在宏观结构响应等领域表现优越。两者结合可以弥补单一方法的不足，实现多尺度模拟。" 【正文】: 离散元方法(Discete Element Method, DEM)是一种基于颗粒间相互作用的数值模拟技术，常用于模拟颗粒物质、土壤、岩石等复杂材料的力学行为。这种方法可以细致地描述颗粒间的碰撞和摩擦，揭示材料内部的细观破坏过程和机理。然而，当涉及大范围或复杂结构的问题时，单独使用离散元方法会带来极大的计算负担。 另一方面，有限元方法(Finite Element Method, FEM)是解决连续体结构力学问题的一种经典数值方法，适用于模拟大范围的结构响应和热传导等问题。它将连续区域划分为许多互不重叠的子域（即有限元），通过这些子域内的简化数学模型来逼近全局解，从而大大降低了问题的复杂性。 针对多尺度问题，离散元与有限元的结合提供了一种高效解决方案。在离散元与有限元的结合方法中，对于结构的宏观部分，使用有限元进行整体分析，而在局部需要关注的细观尺度区域，采用离散元进行详细模拟。这种结合方式既能兼顾整体结构的行为，又能深入到材料的微观细节，减少了计算成本。 论文中提到的预应力铝板在激光辐照下的破坏响应案例，就是这种多尺度方法的具体应用。通过对激光照射区域采用离散元模拟，可以精确捕捉到材料热软化和破坏的过程，而周围区域则通过有限元进行处理，整体上考虑结构的动态响应。通过比较模拟结果与实验数据，证明了这种方法的可靠性和实用性。 这种方法的应用不仅限于激光作用下的材料响应，还可以拓展到其他多尺度问题，如材料的损伤累积、断裂力学、热-力耦合现象，以及各种复杂的工程问题，如地质灾害、土木工程结构的稳定性分析等。多尺度计算方法的发展，为理解和预测复杂系统的行为提供了强大的工具，对科技进步和工程实践具有重要意义。