讨论多尺度模拟断裂
近来有朋友讨论局部法研究损伤和断裂的问题，这也是一种从微观尺度看断裂演化的一种方法，当然断裂过程的微观机制还有很多种，
比如：
【1】分子动力学模拟如何刻划裂纹，
【2】晶体种位错动力学模拟等等，
【3】比较新颖的self healing materials也是利用微观条件控制裂纹的一个idea
【4】损伤力学
希望网友踊跃讨论各种微观裂纹扩展和演化机制或者模拟方法。
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[[i] 本帖最后由 aresaran 于 2008-5-16 23:32 编辑 [/i]] 对分子动力学模拟比较感兴趣，想把它应用到生物学领域，但是不知从何着手啊:L 这个应该是很有意思的问题，可惜这个方面我不懂 这个领域我也不是很熟悉哦
不过了解一下也好 有师弟再做，我改天带他来这里。 我找了点入门的资料，感兴趣的多多讨论
分子动力学模拟简述
分子动力学计算机模拟是研究复杂的凝聚态系统的有力工具。这一技术既能得到原子的运动轨迹,还能象做实验一样作各种观察。对于平衡系统,可以在一个分子动力学观察时间(observationtime)内作时间平均来计算一个物理量的统计平均值,对于一个非平衡系统过程,只要发生在一个分子动力学观察时间内(一般为1～10ps)的物理现象也可以用分子动力学计算进行直接模拟。可见数值实验是对理论和实验的有力补充,特别是许多与原子有关的微观细节,在实际实验中无法获得,而在计算机模拟中可以方便地得到。这些优点使分子动力学在材料科学中显得非常有吸引力。因为许多人们感兴趣的领域,如晶格生长、外延生长(epitaxy)、离子移植、缺陷运动、无定型结构(amorphousstructure)、表面与界面的重构等问题,原则上都可以进行计算机模拟研究。分子动力学假定原子的运动是由牛顿运动方程决定的,这意味着原子的运动是与特定的轨道联系在一起的。当核运动的量子效应可以忽略,以及绝热近似严格成立时,分子动力学的这一假定是可行的。绝热近似也就是要求在分子动力学过程中,每一时刻电子均要处在相应原子结构的基态。大多数情形下,这一条件都是满足的。要进行分子动力学模拟需要知道原子间正确的相互作用势,从而必须知道相应的电子基态。电子基态的计算是一个非常困难的量子多体问题。好在密度泛函的引入使这方面的计算有了很大的简化,意味着我们可以把这一多体问题转化为一组自洽的单粒子轨道方程。对交换相关势采用局域密度近似,这组方程就实际可解了。这是目前凝聚态物理电子结构计算中普遍采用的方法。对于非强相关系统,局域密度泛函非常有效。在局域密度泛函基础上的第一原理性计算,在研究原子、分子、和晶体的结构中取得了巨大的成功。然而由于计算上的复杂性,基于局域密度泛函的第一性原理计算长期以来认为是不可能直接用于统计力学模拟,因为上百个原子的模拟就需要对104-106种原子构型作电子结构计算。因此,在分子动力学模拟中一般只能采用经验势来代替原子间实际作用势。一般就用Lennard-Jones势之类的二体作用势来替代。这种替代可能对隋性气体之类的系统进行模拟有效,但许多实际材料科学中感兴趣的问题都是多体效应的结果,不可能光用二体势代替能解决的。尽管人们对金属和共价系统的模型势作了许多尝试,并取得了一些成果,但一般一种模型势只能适用于一种原子,不能满足实际模拟的需要。
另外经验势近似有一个本身的局限性,它丢失了局域电子结构之间存在着的强相关作用信息,也就是说,不能得到成键性质(bondingproperties),以及原子动力学过程中的电子性质。尽管在某些特殊情况下,电子性质也能通过经验势近似来得到,例如用经验势的分子动力学来计算原子结构时,选取某几种原子构型来作电子结构计算,这样不仅耗时,而且原子动力学和电子结构计算成了相互独立的过程。1985年,Car和Parrinello在传统的分子动力学中引入了电子的虚拟动力学,把电子和核的自由度作统一的考虑,首次把密度泛函理论与分子动力学有机地结合起来,提出了从头计算分子动力学方法(也称CP方法),使基于局域密度泛函理论的第一原理计算直接用于统计力学模拟成为可能,极大地扩展了计算机模拟实验的广度和深度。 我一个博士师兄在做这个方面的研究 在国外
我几乎听不懂他的报告 只能看看大家的讨论 直接就是为了贡献积分来得，呵呵！！ 多尺度不只是分子动力学这么简单，分子动力学源自化学，将微观结构简化成原子，如果考虑电子，就需要计算量子力学，计算量子力学目前可以计算到比较小的报道题硅片的问题。
分子动力学是从纳米尺度开始计算的，所以算到我们生活的空间米，千米的量级是不太可能，这样就有了多尺度模拟，需要一个渐变的过程，在某种尺度上用连续介质力学，在小尺度上用分子动力学，中间有一个buffer domain， 等等。。。。继续继续 我现在刚开始做Fibrous Monolithic Ceramics方面的multiscale研究。看见这个贴觉得很好，日后把学习心得发上来。
有个问题，这个贴主要讨论multiscale方法还是讨论与断裂力学相关的理论？
[[i] 本帖最后由 eldfxm 于 2008-5-8 01:19 编辑 [/i]] [quote]原帖由 [i]eldfxm[/i] 于 2008-5-8 01:17 发表 [url=http://www.simwe.com/forum/redirect.php?goto=findpost&pid=1324384&ptid=830677][img]http://www.simwe.com/forum/images/common/back.gif[/img][/url]
我现在刚开始做Fibrous Monolithic Ceramics方面的multiscale研究。看见这个贴觉得很好，日后把学习心得发上来。
有个问题，这个贴主要讨论multiscale方法还是讨论与断裂力学相关的理论？ [/quote]
这是个多尺度断裂模拟的帖子，如果你关注多尺度方法，请看 【发分帖5】多尺度概念
[url=http://www.simwe.com/forum/thread-830681-1-1.html][url=http://www.simwe.com/forum/thread-830681-1-1.html]http://www.simwe.com/forum/thread-830681-1-1.html[/url][/url]
[[i] 本帖最后由 aresaran 于 2008-5-8 03:32 编辑 [/i]] 我对多尺度模拟断裂在损伤力学方面的断裂很感兴趣。损伤因子如何用小尺度定义出来，这样来描述材料的宏观破坏机理。感觉细观力学好像也做不下去。
裂纹崁套模型
裂纹模型应该是一个崁套，分层的。裂纹尖端的原子区，前端的非局部塑性区，远场的弹塑性区
分子动力学作为更低的层次可以反应裂纹尖端的位错形核，发射。应该也可以模拟原子面的撕裂。
晶体位错动力学模拟（DD）应该可以模拟裂纹前端的塑性区内的位错之间的相互作用，应该可以反映裂纹前缘不均匀塑性变形产生的应变梯度效应。
更远的场应该可以用传统的断裂力学，弹塑性断裂来处理，HRR场，J积分，K-T场应该就可以派上用场 很深奥阿
不明白 如果用分子动力学模拟，可以在想要刻画裂纹的地方去掉两层原子来实现，这两层原子之间的距离要大小，势函数的截断半径，不然在弛豫过程中，这种缺陷会自动愈合。 多尺度模拟断裂包括了宏观部件尺度（厘米），连续介质塑性区（毫米），晶粒尺度（微米），滑移面和位错尺度（亚微米），原子尺度（纳米）。其中连续介质塑性区用连续介质力学，断裂力学研究裂纹尖端力学场。晶粒尺度用细观损伤力学、晶体塑性理论研究微孔洞和微裂纹的损伤演化。
我的课题主要研究用解理断裂的局部法关联宏观断裂韧性。也就是晶粒尺度上的断裂韧性关联连续介质塑性区尺度。解理断裂局部法不应该算是损伤力学，因为它没有损伤变量的概念。应该算作是细观的统计力学模型，计算材料结构在一定载荷下发生解理断裂的概率。
我做这个课题才一年不到，感觉知识面很小，懂得又少又浅。希望在这里能和大家多多讨论，得到高手指点。谢谢:) 呵呵！不大了解這方面的知識！支持版建！ 自己感觉多尺度计算困难目前还很大；自己认为很多理论上的东西还没有彻底搞清楚。 自己感觉目前多尺度计算困难还很大；自己认为很多理论上的东西还没有彻底搞清楚。
请问有没有人做隧道衬砌方面的断裂分析
请问有没有人做隧道衬砌方面的断裂分析，就是衬砌裂缝的细观分析 多尺度，模拟断裂，这个应该是材料区的啊，为什么是数学呢？ 学习当中,希望大家有好的ANSYS文章,拿出来共享一下!!! 多尺度断裂模拟在桥梁结构分析方面今年来也有应用，比如江苏的润扬长江公路大桥的钢箱梁结构分析就用到多尺度断裂模拟！！ 学习一下以前分析过粘性破裂和脆性破裂
感觉粘性破裂好像也属于损伤，而脆性的多属于裂纹，微观是宏观的观测基础。 多尺度灌水 一种模型势只能适用于一种原子,不能满足实际模拟的需要。 找到一点关于损伤力学的介绍，是关于梯度依赖的，也算是多尺度的相关介绍：混凝土类材料与结构的破坏失效是以材料内部裂纹萌生、扩展，并最终导致结构断裂破坏失去承载能力为特征的。固体力学的弹塑性与损伤耦合模型是目前较为常用的处理上述问题的理论工具。材料损伤演化的结果是非弹性变形的局部化，即：非弹性变形在变形后期随着外载增加而向物体的某一个局部集中，而物体的其它部分则处于弹性卸载状态。具体到混凝土类材料，这个过程为：原来成片的微裂纹区最后汇集成一条主要的宏观裂纹，形成结构断裂，宏观裂纹外的微裂纹随之闭合。
在数值计算方面，应用现有局部理论计算时，在载荷极点后区的数值结果通常严重依赖网格划分。因此，有必要采用非简单材料的非局部理论，以消除数值分析结果的网格依赖性，同时计入裂纹间的相互影响。另一方面，连续介质的非局部理论认为：物体内一个点的非弹性力学行为不仅取决于外载荷作用下该点的力学量的状态，而且与该点邻域内的点的力学量有关。该理论还认为：变形的一阶梯度不足以描述复杂材料的运动学及材料的力学行为。1909年，Cosserat首先提出了著名的Cosserat本构理论。其后，二十世纪六十年代，在高阶变形梯度等方面有了进一步的发展。限于求解手段，二十世纪八十年代以前，上述理论一直仅限于材料的理论研究，在固体力学结构分析中没有重大应用实例的报道。
二十世纪八十年代以来，非局部本构理论重新受到了重视。目前已有的理论模型除了上述的Cosserat模型外，主要的还有两大类：（1）“面积加权平均”的非局部非弹性模型。在这一类模型中，引入了材料的特征尺寸的概念，同时引入权函数来表示物质点间力学量相互影响的数学关系，从而确定了局部化区域的宽度，并有效地消除了数值结果的网格依赖性。（2）“梯度依赖”的非局部模型。这一类模型的理论及应用研究是目前国际上最为活跃的本构研究课题。由于数学上并没有严格的理论来规范本构行为中梯度依赖项的细节（阶数及形式等），目前的文献中有多种不同的梯度依赖形式。其中主要的有：（1）金属塑性研究的应变梯度理论。文[8]对国内外金属塑性梯度依赖模型进行了详细的综述， 文中则分别有详细的模型介绍和新进展报告。这一类模型主要包括高阶应变张量模型、偶应力理论等模型。以高阶应变模型为例，这一类模型的缺点是：由于3阶应变张量的引入，数值求解时需要引入特殊单元，计算量十分大，在国际上，未见有该类模型在混凝土的损伤塑性分析中应用的例子。（2）Aifantis的梯度依赖模型。Aifantis和他的合作者首先提出了一种应变软化塑性的梯度依赖模型：将等效塑性应变的Laplacian项和特征长度一起引入到塑性屈服条件中，从而使得物体内一点的弹塑性状态不仅取决于传统的等效应力和材料的屈服极限，还有赖于该点与相邻物质点之间的塑性应变场的Laplacian值和特征长度值的积。这一类模型数学表达简单，但是由于其梯度依赖项没有相应的热力学共轭量，因此在理论上是不完善的。可尽管其热力学理论不完善，但由于其数学表达简洁、实践上实用有效，Aifantis类的梯度依赖模型依然在混凝土的损伤塑性分析中得到了广泛应用，例如：DeBorst和他的合作者们将Aifantis的梯度依赖模型应用到混凝土标量损伤与塑性耦合的模型中，建立了梯度依赖的损伤塑性耦合模型，并进一步结合面积加权平均非局部理论的思想，提出了隐式的梯度依赖模型。
除了上述两类主要的梯度依赖塑性损伤本构模型之外，近年来一些研究者开始从热力学原理出发，提出混凝土的新的梯度依赖非局部本构模型：Nedjar将标量损伤的一阶梯度视作新的独立的内变量，推导了相应的虚功率原理的形式，给出了相应的计算格式。Liebe和Steinmann和Benallal一起，本着“能量耗散的非局部化”的理念，提出了“损伤一阶梯度依赖”的自由能表示式。潘一山和徐秉业等结合Aifantis的梯度依赖模型研究了岩石塑性屈服的尺寸效应问题。由于损伤和塑性是本质上不同的两类内变量，用塑性理论近似代替断裂损伤模型虽然有一定的效果，但是缺陷是明显的，目前这一做法在国际上愈来愈少见。关于特征长度值的定义和计算取值目前还没有普遍接受的定论。主要争议是：1)面积加权非局部模型定义特征长度为表示体元的尺寸，而梯度依赖模型则认为特征长度是非弹性行为相互影响的物质点间的最大距离。有少数人认为特征长度值是与混凝土中砂石颗粒尺寸相关的裂纹区宽度尺寸。另有人认为特征长度值只是梯度项对加载条件的影响系数，并且实际上在数值计算时有人也是这么做的；2)尽管多数人在计算中将特征长度值取为常量，但是这种做法并没有实验支持，而且近来Geers和deBorst等还提出了“时变型”的特征长度的理论模型，认为特征长度的值随着裂纹的扩展是变化的。
按照‘能量耗散非局部化’的原理，一个点上的非弹性过程的演化不仅与该点上的自由能有关，而且还受领域内物质点上的自由能影响。因此，本文认为梯度依赖损伤模型的特征长度应该是损伤演化能够相互影响的物质点间的最大距离，即损伤过程区的长度尺寸。同时认为特征长度值的平方（或二次函数）是‘梯度依赖项’对塑性损伤加载条件的影响系数。但是混凝土的力学行为受颗粒组分及试件尺寸等多种因素的影响，目前没有成熟的关于特征长度取值的理论模型。
**注，文【8】是指陈少华的那本书。 以前参与过混凝土损伤梯度依赖理论方面的课题，但是当时不知道这就是多尺度问题，个人观点认为，由于损伤力研究的是亚微观现象，无法跟踪微裂纹这种微观现象，所以对这一发面心有怀疑。但是看到了一些文献，也做了一些数值计算，发现一些梯度依赖效应真实地存在在问题中，同时利用一些相关理论可以解决这些问题，才减少了对这一理论的猜测。 对这些问题没有研究过。对断裂的认识局限于做过几次试样拉伸断裂方面的实验。不过用到的理论都比较浅显 第一次接触到多尺度（multi_scale）是在学习有限元重合网格法（s_version Fem）时，因有限元重合网格法思想中有全局和局部模型的概念，而局部可以相对全局在建模以及网格划分时有不同数量级的尺寸，后来老师说这种不是真正的多尺度，非要有个多少数量级，或者简单的说就是从宏观和微观的不同尺度研究的一种概念，我自己理解，这种从宏微观尺寸考虑的多尺度是否只是一种侠义的多尺度，广义的多尺度是否包含时间，位移等多种物理量上的一种多尺度，呵呵，还望各位多多指教！ 本人最近在做一个裂纹扩展的模拟，对于断裂的模拟，可能不是想象中那么简单，可以想到的困难，包括断裂机理如何，裂纹扩展的过程如何，以及模拟方法上，如何模拟裂纹，如何模拟裂纹扩展或轨迹，又涉及到不同方法下更新有限元网格时的效率问题等。 来学习的。 微尺度断裂问题，用分子动力学模拟会更加可靠，这在纳米力学领域是一个可靠的方向。 通过宏细观尺度的变化才能建立材料的宏观特性与细观结构之间的关系，就是通常所说的细观方法。还是由一定的难度 [quote]原帖由 [i]wxgreat[/i] 于 2008-5-7 13:54 发表 [url=http://www.simwe.com/forum/redirect.php?goto=findpost&pid=1323574&ptid=830677][img]http://www.simwe.com/forum/images/common/back.gif[/img][/url]
对分子动力学模拟比较感兴趣，想把它应用到生物学领域，但是不知从何着手啊:L [/quote]
直接使用gromacs就行，现在这个应用很广泛了。/。。
[url=http://www.gromacs.org/]http://www.gromacs.org/[/url]
GROMACS is a versatile package to perform molecular dynamics, i.e. simulate the Newtonian equations of motion for systems with hundreds to millions of particles.
It is primarily designed for biochemical molecules like proteins and lipids that have a lot of complicated bonded interactions, but since GROMACS is extremely fast at calculating the nonbonded interactions (that usually dominate simulations) many groups are also using it for research on non-biological systems, e.g. polymers.
GROMACS supports all the usual algorithms you expect from a modern molecular dynamics implementation, (check the online reference or manual for details), but there are also quite a few features that make it stand out from the competition:
[list][*]GROMACS provides [i]extremely high performance[/i] compared to all other programs. A lot of algorithmic optimizations have been introduced in the code; we have for instance extracted the calculation of the virial from the innermost loops over pairwise interactions, and we use our own software routines to calculate the inverse square root. The innermost loops are generated automatically in either C or Fortran at compile time, with optimizations adopted to your architecture. Assembly loops using SSE and 3DNow! multimedia instructions are provided for i386 processors, separate versions using all x86-64 registers are used on Opteron x86-64 and Xeon EM64t machines. This results in exceptional performance on inexpensive PC workstations, and for Pentium IV/Opteron processors there are also SSE2 double precision assembly loops. There are new manually tuned assembly loops for ia64 (both single and double precision), and last but certainly not least we have written Altivec assembly loops both for Linux and Mac OS X. Gromacs is normally 3-10 timesfaster than any other program; check the article in Journal of Molecular Modeling (reference can be found under resources) for a comparison benchmark.[*]GROMACS is user-friendly, with topologies and parameter files written in clear text format. There is a lot of consistency checking, and clear error messages are issued when something is wrong. Since the C preprocessor is used, you can have conditional parts in your topologies and include other files. You can even compress most files and GROMACS will automatically pipe them through gzip upon reading.[*]There is no scripting language - all programs use a simple interface with command line options for input and output files. You can always get help on the options by using the [b]-h[/b] option, or use the extensive manuals provided free of charge in electronic or paper format. There is also an integrated graphical user interface available for all programs.[*]As the simulation is proceeding, GROMACS will continuously tell you how far it has come, and what time and date it expects to be finished.[*]Both run input files and trajectories are independent of hardware endian and can thus be read by any version GROMACS, even if it was compiled using a different floating-point precision. All files from GROMACS 2.0 can further be used in the new version 3![*]GROMACS can write coordinates using lossy compression, which provides a very compact way of storing trajectory data. The accuracy can be selected by the user.[*]GROMACS comes with a large selection of flexible tools for trajectory analysis - you won't have to write any code to perform routine analyses. The output is further provided in the form of finished Xmgr/Grace graphs, with axis labels, legends, etc. already in place![*]A basic trajectory viewer that only requires standard X libraries is included, and several external visualization tools can read the GROMACS file formats.[*]GROMACS can be run in parallel, using standard MPI communication.[*]GROMACS contains several state-of-the-art algorithms that make it possible to extend the time steps is simulations significantly, and thereby further enhance performance without sacrificing accuracy or detail.[*]The package includes a fully automated topology builder for proteins, even multimeric structures. Building blocks are available for the 20 standard aminoacid residues as well as some modified ones, the 4 nucleotide and 4 deoxinucleotide resides, several sugars and lipids, and some special groups like hemes and several small molecules.[*]There is ongoing development to extend GROMACS with interfaces both to Quantum Chemistry and Bioinformatics/databases.[*]GROMACS is [i]Free Software[/i], available under the [url=http://www.gnu.org/][b][size=2][color=#0066cc]GNU[/color][/size][/b][/url] [url=http://www.gnu.org/licenses/licenses.html#GPL][b][size=2][color=#0066cc]General Public License.[/color][/size][/b][/url][/list] 现在最常用的是MD+FEM方法。国内有本很好的书可以借鉴----
[url=http://www.wl.cn/2355766]http://www.wl.cn/2355766[/url]
纳米力学与材料 - - 理论多尺度方法和应用(影印版)/微纳技术著作丛书合成与分析纳米物质特性的能力取得了革命性的进展，广泛应用于生物医学、机械、电子、精密材料以及军事工程等领域。纳米力学是研究和描述单个原子、系统和结构在各种载荷条件下响应的机械行为特性的学科，它的发展促进了该技术的进步。尤其是多尺度建模方法，它可以使此领域的工程师更好的理解微纳米材料。
本书由该领域内资深专家撰写，对纳米力学和材料的基本概念进行了介绍，侧重于多重尺度建模方法和技术的研究。本书内容包括：分子力学基础，微粒系统、晶格机械及现代多尺度建模理论等。
本书是一本相关领域电子工程师、材料科研工作者开发微纳米材料应用的全面的指南，同时也可作为微纳米力学和微纳米技术专业研究生的参考书。 这俺不太懂呀，路过 [quote]原帖由 [i]Lee2002hu[/i] 于 2008-5-12 18:34 发表 [url=http://www.simwe.com/forum/redirect.php?goto=findpost&pid=1329359&ptid=830677][img]http://www.simwe.com/forum/images/common/back.gif[/img][/url]
现在最常用的是MD+FEM方法。国内有本很好的书可以借鉴----
[url=http://www.wl.cn/2355766]http://www.wl.cn/2355766[/url]
纳米力学与材料 - - 理论多尺度方法和应用(影印版)/微纳技术著作丛书合成与分析纳米物质特性的能力取得了革命性的进展，广泛 ... [/quote]
不推荐将此方法太过宣传，因为DFM+MD+FEM的整体idea虽然合理，但是其中还有很多问题没有解决，
比如量级力学计算density function方法是完全没有参照的理论，是存在很多假设的理论，很多计算量子力学从根上就假设分子核不动，研究电子，所以可以说谁能算出来个结果，就可以声称自己是对的，完全没有比对，这个学科有很大的研究空间，可以发n多paper，但是绝对不能算作成熟；
Molecular dynamics是分子化学家提出来的基于牛顿运动力学的理论，不考虑电子，只研究分子核的运动问题，是强非线性问题；MD与FEM连接如何控制这些非线性响应，两种domain结合有很强的奇异性，等等，都是还没有成熟的问题，虽然MD＋FEM已经做了很久，可是本质问题应该是没有完全解决。
在这个行业，谁做的都有可能正确，也可能不正确，自己审视。
[[i] 本帖最后由 aresaran 于 2008-5-13 00:31 编辑 [/i]] 不懂。不过普及一下科普。。。
谢谢大家。
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