颗粒材料广泛地存在于自然环境、工业生产和日常生活等诸多领域, 其受加载速率、约束条件等因素的影响具有复杂的力学行为. 颗粒材料常与流体介质、工程结构物耦合作用并共同组成复杂的颗粒系统, 并呈现出非连续性、非均质性的复杂力学特性. 目前, 离散元方法已成为解决不同工程领域颗粒材料问题的有力工具, 然而其在真实颗粒形态的构造、接触算法、颗粒与流体及工程结构的耦合模型、多介质和多尺度问题, 以及高性能大规模计算等方面仍面临着诸多亟待解决的问题.

《力学学报》组织了“颗粒材料计算力学”专题, 7篇综述或研究论文分别从研究进展、理论模型及工程应用方面反映了颗粒材料计算力学研究领域上的最新研究进展, 为颗粒材料计算力学交叉领域的研究提供参考.

多相流动广泛存在于自然界和工业应用中, 光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)已成为解决流动形态和界面跟踪等多相流动的重要途径. 中国科学院过程工程研究所陈飞国等围绕多相流动中光滑粒子流体动力学方法的国内外研究现状, 全面综述了基于SPH在多相流模拟的多种研究方法, 包含SPH理论模型、多相流模拟及耦合方法、近似修正及张力不稳定性等, 并结合当前研究现状及挑战为提高SPH方法模拟多相流精度及效率方面提供建议.

颗粒材料互相滑动会引起不可恢复的塑性变形和体系非均匀性, 局部化的应变场会导致颗粒材料具有高度复杂的力学响应, 这些复杂的特性使得颗粒材料理论模型成为研究的热点和难点问题. 本专题分别从颗粒材料的自由体积分布模型、滚动摩阻模型、波传播理论、深度学习及力学本构关系等方面进行了深入分析. 武汉大学邹宇雄等针对椭球颗粒体系剪切过程中自由体积的分布与演化特性问题, 采用连续离散耦合分析方法进行了不同主轴长度的椭球颗粒试样的三轴剪切数值模拟, 研究了非球形颗粒材料在剪切过程中自由体积的分布及演化规律, 揭示了局部自由体积收缩和膨胀间相互博弈过程及局部孔隙比的非对称拉普拉斯分布特性; 北京航空航天大学高政国等针对离散元方法中滚动阻力的精确计算问题, 发展了一种新型的离散元滞弹性滚动阻力模型. 该模型采用基于摩擦学中速度无关型动能耗散的滞弹簧, 对单个颗粒自由滚动的模拟结果与试验结果进行了对比, 其结果较传统的滚动模型具有更高的吻合度; 西南交通大学王蕉等针对冲击载荷下颗粒材料临边界区域的波动行为及变形特征问题, 分析了冲击载荷作用下颗粒材料内部应力波的传播行为, 探究了局部孔隙率和颗粒排列方式对临边界区域和中心区域应力波传播的影响, 并结合波前形状理论分析了应力波汇聚和弥散的相互竞争关系, 以期为超材料设计提供借鉴; 英国Swansea大学瞿同明等将深度学习和细观力学相结合研究了颗粒材料的本构关系, 提出了基于深度循环神经网络的颗粒材料应力?应变数据驱动模型训练方法, 通过颗粒材料多轴加卸载过程进行训练和测试. 深度学习方法有足够的泛化能力, 可预测多个加卸载循环的应力响应, 通过良好的内插和外推预测能力可建立多种加载工况下颗粒材料的主应力?主应变预测模型.

最后, 颗粒材料的离散元方法具有广阔的工程应用前景. 本专题2篇论文分别对颗粒材料计算力学在增材制造中滚筒铺粉工艺设计和极地海洋工程结构冰载荷数值冰水池的工程应用进行了详细介绍. 华侨大学张江涛等针对增材制造中滚筒铺粉工艺参数对尼龙粉体铺展性影响问题, 采用离散元方法模拟了不同铺粉层厚、滚筒直径、滚筒旋转速度和平移速度下尼龙粉末的滚筒铺展过程, 建立了沉积分数、覆盖率和沉积速率等粉体铺展性指标的回归模型并与试验结果进行对比验证, 为滚筒铺粉工艺参数的多目标优化提供指导; 大连理工大学季顺迎等针对基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池问题, 详细论述了海冰物理力学性质的数值建模、冰?水?工程结构的耦合数值算法、数值冰水池的软件实现和试验验证, 对极地船舶和导管架式海洋平台结构的冰载荷和力学响应进行了离散元分析和验证, 形成了具有独立知识产权的数值冰水池计算分析软件系统, 解决了极地船舶与海洋工程结构的抗冰设计、强度分析、疲劳评估和安全保障问题.

目前颗粒材料计算力学已发展成为一门涵盖力学模型、数值仿真、工程材料、复杂结构、工业设计等多物理场和多介质的综合交叉学科. 随着我国“十四五”规划的逐步开展, 以颗粒材料为背景的工程问题得到高度重视, 这将促使其基础理论、试验方法和国产自主仿真软件等得到前所未有的发展. 本专题围绕颗粒材料计算力学领域组织的7篇论文, 为解决颗粒材料领域多介质多尺度的复杂工程问题提供了重要科学依据.