搭平台促交流、借交流助发展——“材料与结构冲击动力学”高级研修班纪实

搭平台促交流、借交流助发展——“材料与结构冲击动力学”高级研修班纪实

文章来源：四所  　时间：2017-4-20 14:02:00 访问数:

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　　为贯彻《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020）》（中发【2010】6号）精神，提高材料与冲击动力学技术人员能力水平，培训高层次专业技术人才，2016年7月11日-14日中物院举办的“材料与结构冲击动力学高级研修班”在四川绵阳九龙宾馆顺利进行。来自中物院及西南科技大学等单位的100余名学员参与研修交流。　　　　

　　交流期间，来自北京理工大学宁建国教授、西北工业大学李玉龙教授和郭伟国教授、清华大学张雄教授、中物院软件中心田荣研究员、中物院裴晓阳副研究员和陈小伟研究员、黄西成研究员和陈成军副研究员进行了交流报告。

　　【交流报告赏析】　　

　　宁建国：北京理工大学教授，教育部“长江奖励计划”特聘教授，国家杰出青年基金获得者，开发自主知识产权战斗部数字化设计软件；SCI论文100余篇，学术专著4部，发明专利30余项；国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步奖2项；《爆炸与冲击》、《计算力学学报》编委。

　　宁教授围绕自主开发的爆炸冲击动力学程序与学员们进行了深入的交流。国内自主程序的开发经历过百花齐放的春天，也承受过寒风凛冽的冬季。早期，针对工程需求，自主计算程序发展如火如荼，但随着国外程序进入国内，以小作坊式开发模式的国内计算程序受到了很大的冲击，一时间消失殆尽，坚持到现在的寥寥几家单位。在当今，工程数值计算的作用越来越重要，而国外计算软件对国内有诸多限制，，为了不受制于人，国内自主软件的开发迫在眉睫。宁老师课题组结合北京理工大学的军工背景，经过几十年上百位学生和老师的工作，逐步形成了现有的爆炸冲击动力学程序，期间充满艰辛。宁老师建议，现有的开发模式下，大而全的软件开发不太现实，无法与国外进行竞争；要结合自己的研究领域，做具有明确专业用途的软件，这可能是中国自主软件重新崛起的可行之路。宁老师课题组研发的自主软件，现已可以解决涉及到爆炸情形的大部分问题；甚至可以把爆炸过程和结构响应过程同时计算，这在公开的文献中也是第一次。在计算规模、数据提取、数据显示等方面程序也有可圈可点之处。取得的成绩固然可喜，但在程序的维护、推广方面宁老师对面临的困难也颇感无奈。　　

　　李玉龙：西北工业大学教授，教育部 “长江奖励计划”特聘教授、“国防科工委第二批国防科技工业‘511’人才工程”、 国家“863”专家组成员、国务院学位委员会第六届学科评议组成员；《航空学报》、《固体力学学报》、《应用力学学报》和《爆炸与冲击》等力学期刊编委。

　　李教授长期致力于冲击动力学实验技术与材料动态力学行为研究，报告中针对飞行器面临的冲击动力学问题进行了深入浅出的阐述，重点分析了复合材料在飞行器工作环境面临的温度、应变率环境条件。报告较为详细介绍了李教授科研团队围绕高温、高应变率下材料试验加载与观测技术方面取得的科研进展，近几年来研究团队借助高速摄影与细观显微仪器设备对材料动态损伤渐进破坏过程进行了观察分析，建立材料微结构变形机制与宏观力学行为的联系。同时还针对飞行器领域常用轻质复合材料工程应用问题展开了分析，指出目前高比强度、比模量复合材料在航空领域得到了广泛的尝试应用，但其在复杂力学环境下的适应能力尚未完全掌握，造成目前复合材料多用于非主要承载部件，难以作为主要受力构件在飞行结构使用。复合材料制作工艺的稳定性，异形结构的成型能力以及高温高应变率下材料性能认识的缺乏等因素严重制约着其在工程结构中的有效应用。　　

　　陈小伟：中物院总体工程研究所研究员，国家杰出青年基金获得者、中物院首届杰出专家，先后荣获邓稼先青年科技奖、于敏数理科学奖、中国科协求是杰出青年实用工程奖等荣誉称号，入选首批中青年科技创新领军人才和国家“万人计划”首批科技创新领军人才，四川省学术和技术带头人；《International Journal of Protective Structures》、《爆炸与冲击》等国内外期刊编委。

　　陈小伟研究员首先介绍了钢筋含量和过渡层（包括钢筋与基体间过渡层和骨料与基体间过渡层）对钢筋混凝土力学性能的影响分析。强调：尽管建立钢筋混凝土的细观模型是一个十分复杂的过程，但要分清主次，不要过分纠缠于建模细节，它只是一个分析的工具，钢筋含量和过渡层对钢筋混凝土力学性能的影响分析才应该是关注的重点。紧接着简单介绍了骨料对刚性弹运动轨迹的影响，就该分析过程说明数值模拟应有目的性，做数值模拟的人要善于分析和总结。最后，陈小伟研究员重点介绍了非晶合金，其具有极高的强度、硬度及弹性极限，较高的断裂韧性、耐磨性及耐腐蚀性，良好的软磁性、低磁损耗及超导特性等优良的力学、物理和化学性能，有可能应用于新型“自锐”穿甲弹芯，逐渐成为高速穿甲及装甲防护研究领域的前沿热点。基于自发展的块体金属玻璃材料三维本构模型，分析块体金属玻璃在准静态拉伸、压缩、弯曲以及高速冲击等不同加载条件下的变形和破坏特性，系统开展了针对复合材料静动态拉压试验和高速冲击试验的研究，并结合穿甲试验开展了针对钨纤维增强金属玻璃复合材料长杆弹穿甲靶板的有限元模拟研究。具体分析复合材料弹体的穿甲“自锐”性能，详细讨论撞击速度、靶材强度和初始弹头形状等因素对弹体的“自锐”行为以及相应穿甲性能的影响。陈小伟研究员始终强调，数值模拟只是一个工具，要为分析物理过程服务。数值模拟的最终任务是实现体现细观到宏观层次影响的全参数全过程模拟。　　　

　　张部、教材

　　张教授对最近发展的粒子类方法进行了介绍，主要对两种粒子类方法进行了讲述，一种是光滑粒子动力学方法，另一种是物质点方法。粒子类方法对于极端大变形问题具有网格类方法无可比拟的优势。光滑粒子动力学方法是一种纯粹的粒子类方法，已经在商业软件中加入了该算法，可用于冲击爆炸、水射流等问题的求解。而物质点法需要背景网格，其算法与任意欧拉-拉格朗日算法（ALE）类似，目前已在极端大变形问题求解中得到较多应用。张雄教授及其课题组近年来致力于物质点方法及其软件研究，先后建立了物质点法的高效实现方案、改进的物质点接触算法、自适应物质点法、并行物质点算法、物质点有限元法、杂交物质点有限元法、耦合物质点有限元法、自适应物质点有限元法、物质点有限差分法等，并在算法研究的基础上，开发了三维显式并行物质点法数值仿真软件MPM3D®，将该软件应用于超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效、金属切削、流固耦合等问题中，取得了良好的计算结果。　　　　

　　田荣：中物院软件中心研究员，中科院百人计划，中物院高性能数值模拟软件中心首席专家。长期从事固体力学计算方法研究，在无网格方法、XFEM、材料细观模拟等方面开展持续深入的研究，自主研制了3套大规模数值模拟程序msFEM，petaPar和Solid_3D，在国内外学术期刊与国际国内学术会议上发表论文30余篇。

    田荣研究员首先分析传统有限元分析裂纹问题，如网格重分重映、单元删除、单元间裂纹等方法，对网格具有高度的依赖性。然后为学员详细介绍了GFEM/XFEM核心思想，即基于单位分解方法，在标准有限元插值格式中引入阶跃强化和裂尖强化的形函数基，以反映计算域的不连续性。通过多个标准算例，阐述了GFEM/XFEM的突出优点，如灵活构造高阶插值格式，高精度的逼近局部特征，独立于网格的裂纹扩展等方面。通过分析GFEM/XFEM目前存在的一些困难，如总体方程高度病态，动力学计算能量无法正确传递，指出造成这两个问题的根源在于单位分解插值中引入了额外自由度。针对该问题，田老师提出一种改进型XFEM方法，在单位分解中引入移动最小二乘拟合方法，消除了现有XFEM在裂尖强化中的额外自由度，解决了现有GFEM/XFEM总体方程高度病态和动力学计算实施困难的问题。然后再详细阐述了改进型XFEM的详细算法流程，并通过大量数值算例，说明改进型XFEM具有精度高、矩阵性态良好、收敛速率较高等优点。报告中也指出，XFEM作为近15年来计算力学数值方法的重要进展之一，是断裂力学软件发展的一个分水岭，而动载荷裂纹分析和多物理场裂纹分析等是其未来发展方向。　　

　　本，参编专著3本，《兵器装备工程学报》编委；获得国家发明专利10多项，国防科技进步二等奖和航空科技进步二等奖各1项。

　　材料的力学行为是其在不同外界环境对不同加载条件的响应，在不同加载速率下材料往往表现不同的力学行为。分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术是目前世界上运用最广泛的材料动态力学性能测试系统之一。SHPB实验技术填补了准静态加载与超高应变率加载之间的部分空缺应变率范围，这个范围恰好包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率。西北工业大学的郭伟国教授长期从事于材料动态力学性能的研究。在此次交流中，他回顾了SHPB实验技术的发展、取得的成果和目前面临的问题。并围绕利用Hopkinson杆实验技术材料性能测试中需要注意的几个基本问题，与大家进行了深入的交流。着重分析了在实际试验中应该注意的问题，比如SHPB实验数据取值可信度、利用二硫化钼降低摩擦系数、利用反复持续微小加载的方式获取泡沫材料的真实应力应变曲线、变截面杆/弹实现滤波效果以及3D打印实验件的缺陷等问题。郭教授认为，在满足SHPB实验技术基本前提的情况下，对具体问题，要采用相应的解决办法，才能做好实验，取得可信的实验结果。郭教授研究成果，对使用SHPB实验技术进行材料力学性能测试有诸多启发。　　

　　黄西成：中物院总体工程研究所研究员，中国力学学会爆炸力学专业委员会冲击动力学专业组、计算爆炸力学专业组组员，长期从事固体力学、爆炸力学、冲击动力学、计算机模拟等。先后承担和参与国家自然科学基金项目（面上、重大）、科技部重点专项等课题。

　　强冲击载荷作用下，金属材料塑性流动本构与破坏、非金属材料的高应变率变形机制与建模等研究一直受到关注，近几十年来在武器研发、空间开发等方面的研究成果极大地推动了冲击波物理、冲击动力学和材料科学等领域的发展。在强动载荷作用下，材料内部常常处于高温、高压、高应变率、大塑性应变状态，表现出的热力学、力学性能明显地不同于准静态条件下的性能；而且，不同的材料在响应过程中有着各自不同的微观结构变化特征，这给冲击动力学数值模拟带来许多挑战性问题，如如何模拟上述宽热力学范围、宽力学条件下材料响应。针对冲击动力学数值模拟中的材料建模这一关键问题，黄西成博士从三方面详细讲述建模方法论、具体模型的解析、数值实现、参数确定，等等。1）冲击动力学概述，总结了国际研究热点、前沿研究重点等；对国际上的相关的大学、研究所、实验室等进行了总体评述，使学员对冲击动力学研究有了总体认识；讲述了瞬态动力学事件及载荷特点、应变率效应与分析等。针对工程分析中的似是而非的问题进行了阐述与辨析。2）金属与合金材料动态本构建模方法。重点讲述了本构关系与状态方程的内涵、本构关系研究内容、建立材料动态本构模型的方法论（如从材料科学到唯象模型的建立方法）、应变硬化的建立方法（如应变硬化的近似描述、应变硬化中的应变率与温度效应等）以及粘性拖曳效应。重点分析了JC本构模型与破坏模型，如模型的适用范围、参数含义与取值、参数确定方法等。分享了“宽应力三轴度范围的延性损伤的张量模型”的研究进展。3）压力敏感材料建模方法。工程设计与分析常常遇到土、混凝土、岩石、陶瓷、含能材料等，这些材料由于具有内聚强度和摩阻强度的特征，其力学性能常常表现出与金属材料不相同的特征，如拉压不对称，塑性响应与压力相关，等等。在这一讲中，重点讲述了摩擦材料的本构模型研究方法，如张量本构方程的建立、DP模型及其演变等。对几个关注的模型（如K&C模型、CDP模型等）进行了详细的讲解，如模型的构造方法、参数的物理含义、模型的适应性及注意事项，等等。最后针对非均质材料模拟中的随机不确定性建模方法，给出了较为实用、而且具有物理意义的参数摄动法。　　

　　陈成军：中物院总体工程研究所副研究员，从事冲击动力学、固体力学模拟方法、高性能工程力学软件研发等工作。在材料动力学、结构冲击破坏、非线性动力学数值算法、面向大规模计算的程序设计等方面，开展了持续深入的研究；先后参加国家自然科学基金项目、科技部重点专项等。

　　陈成军副研究员及其团队依托重大装备研制需求在中物院大型软件平台上开发了有限元冲击动力学软件PANDA-IMPACT。本次报告也主要是围绕开发的软件展开的。报告主要内容包含有限元基础理论，常用单元算法、接触算法、材料本构模型及PANDA软件现有的构成及已具有的计算能力等几个方面。PANDA-IMPACT软件已初步具备承接冲击、跌落等大规模计算任务的能力，其主体精度与Ls-dyna不相上下，并且软件在计算规模和材料模型、算法扩展方面有显而易见的优势。随着程序的进一步成熟，国内工程计算工作受制于人的情况将会得到显著的改善。　　

　　裴晓阳：中物院流体物理研究所副研究员，中物院双百人才，流体物理研究所计算物理与计算力学领域计算力学团队首席研究员。在国内外学术期刊发表论文20余篇，获中物院科技创新二等奖1项，军队科技进步三等奖1项。

　　裴博士开展了损伤演化动力学实验研究，建立了一种双层靶“损伤冻结”层裂实验技术和多种联合诊断技术。指出损伤冻结的基本内涵是双层靶的拉伸区域，在损伤被终止发展之前与单层靶中同位置具有完全相同的时空响应历程。研究获得了损伤演化动力学过程的临界行为特征，揭示了自由面速度剖面上宏观响应特征和微孔洞成核、长大、聚集至完全断裂的损伤演化动力学过程具有一一对应关系，发现微孔洞的成核和长大之间的机制分离临界特征对应于Pullback信号回跳点和微孔洞聚集机制的临界特征，揭示了聚集过程中模量急剧软化的临界特征。

　　 参会感悟

　　为期四天的“材料与结构冲击动力学高级研修班”学术交流研讨活动虽然短暂，参会人数（100余人）亦谈不上“庞大”；但在该研修班初期酝酿、研讨内容设置、交流专家选取、研修班授课形式和参会人员专业结构等方面与传统国内外学术会议有所不同，研修班授课内容更具武器工程应用背景，授课对象专业方向更聚焦、交流内容更能满足工程实际需求，本次学术交流给参会人员留下了以下几点感触：

　　借助高研平台、按需索求

　　“材料与结构冲击动力学”高级研修班依托于《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020）》，目的旨在提高材料与冲击动力学技术人员能力水平，为从事材料与结构冲击动力学研究科研人员提供了与行内专家直接交流平台。该研修班交流内容的设置直接源于我院科研生产中面临的基础科学瓶颈问题，基层科研人员对具体专业知识提出了培训需求，通过培训对相关学术问题深化理解将有助于直接推动院所科研生产。

　　面向工程应用、有的放矢

　　高级研修班组织方将交流内容与目前我院从事的科研课题任务充分结合，在授课专家选取、授课内容设置方面进行合理规划，力求交流内容与研修人员专业方向、科研兴趣点无缝对接，确保研讨内容面向工程应用、参会人员学之有用。研修交流坚持以科研生产涉及基础问题为研究对象，做到交流内容具体、目的明确，避免研讨问题过于基础化，真正实现有的放矢。

　  瞄准科研前沿、研以致用

　　此次高级研修班授课专家长期活跃在国内材料与结构冲击动力学理论、试验和数值模拟领域，在所从事的研究领域成果显著，具有颇高的学术影响力。授课专家交流内容面向工程实际问题同时，也不失科学研究前沿性。整个研修交流内容将工程实用性与学术前沿性有机结合，参会人员认识了工程研究面临的基础科学问题，同时也了解了国内外研究前沿，对科研工作和基础课题项目申请策划将会产生积极促进作用，达到了研修人员“学以致用、研以致用、他为我用”的交流目的。