Mohamed Jebahi

高附加值智能材料制造是未來的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)，這也給人們帶來了諸多重要挑戰(zhàn)。一個是要研究材料的微觀結(jié)構(gòu)，不僅要能改善材料的性質(zhì)而且還要尋求新的性質(zhì)；另一個是要研制微米級或納米級的復(fù)合材料，從結(jié)構(gòu)配置上獲取所需要的物理性質(zhì)，這些都擴展了材料設(shè)計的新領(lǐng)域。其他挑戰(zhàn)則是尋求新的制造過程把上述新材料制造出來，并且產(chǎn)生商業(yè)價值。從材料的配置到生產(chǎn)，必須運用數(shù)值設(shè)計手段來追蹤從納米尺度到宏觀尺度的演化過程（包括模擬和優(yōu)化）。

作者發(fā)現(xiàn)從納米尺度到微觀尺度，典型的方法是采用從頭開始計算的方法和分子動力學(xué)方法；而從毫米尺度到米的尺度也有大量的計算方法，工程界中最著名的方法是有限元法。但是，從微米尺度到幾個厘米的尺度，存在一個死谷需要跨越。需要考慮在樣品尺度或成分尺度（幾個厘米）的材料內(nèi)部，間斷和微米結(jié)構(gòu)的特征對材料性狀究竟起什么作用。上一世紀人們試圖采用離散元方法來模擬連續(xù)的材料。此法在歷史上也用來處理顆粒材料，諸如土壤、土木工程材料和藥物粉體。某些最近的進展給出新的簡單方法來定量模擬連續(xù)材料以及從材料尺度的微米級相互作用過渡到成分尺度的經(jīng)典宏觀性質(zhì)（應(yīng)力和應(yīng)變、熱傳導(dǎo)性、裂紋、損傷、電阻，等）。

在這一套討論離散元模型和對連續(xù)材料進行模擬的書中，作者擬介紹和闡釋這一領(lǐng)域中從2010年以來的主要進展。第一卷以簡潔的方式闡釋構(gòu)筑離散元模擬的數(shù)值方法，它能正確地給出諸如楊氏模量、泊松比、熱傳導(dǎo)系數(shù)等材料性質(zhì)。然后，再來說明這一數(shù)學(xué)手段為分析和模擬一個部件是如何發(fā)生開裂、損傷以致最終失效的過程，提供一個新的有效的方法。第二卷中，作者在離散元法和連續(xù)體數(shù)值方法（例如有約束的自然單元法）之間提供耦聯(lián)（coupling （bridging）），從而在微觀性質(zhì)和間斷主導(dǎo)材料性狀的區(qū)域集中使用邊界元法，而在認為材料是連續(xù)且均質(zhì)的區(qū)域采用連續(xù)體的計算方法。

高度動力學(xué)的耦聯(lián)尺度問題長期以來對人們提出了挑戰(zhàn)，本書闡釋如何適當?shù)剡x擇耦聯(lián)參數(shù)來避免假波反射，以及允許所有的動力學(xué)信息既從粗模型正確地通向細模型，也從細模型通向粗模型。作者還給出這種耦聯(lián)方法應(yīng)用于高度動力學(xué)問題的一個例子：激光對玻璃的沖擊加工。

本書共分2部分，第1部分 模擬高度動力學(xué)多尺度問題的離散-連續(xù)體耦合方法，含第1-3章：1.現(xiàn)狀：同步的離散-連續(xù)體耦合；2.選擇連續(xù)體方法來和離散元法相耦合；3.DEM和CNEM之間的離散-連續(xù)體耦合方法的開發(fā)。第2部分 應(yīng)用：激光對石英玻璃沖擊處理的模擬，含第4-6章：4.激光沖擊處理的幾個基本概念；5.石英玻璃性狀的建模；6.激光對石英玻璃沖擊處理的模擬。

談慶明，教授

（中國科學(xué)院力學(xué)研究所）