研究背景

在金属结构冲击破坏分析中，裂纹的萌生扩展以及接触问题至关重要。传统连续介质力学模型常因裂纹扩展等问题导致计算不稳定或质量、动量不守恒。非常规态型近场动力学能自然处理裂纹萌生与扩展，但仍需解决零能模式以及无网格法中的接触问题。因此，一种稳定的沙漏模型及接触模型对近场动力学在金属结构冲击失效问题中仍具有重要意义。

研究简介

本研究提出了一种考虑损伤的沙漏力模型以保证数值计算的稳定性，采用点对体积离散的接触模型并在近场动力学框架下重构。通过弹性板案例分析了沙漏力的参数敏感性以及弹性板接触案例分析了接触算法的收敛性。

图1 不同沙漏力系数下板的应力：(a) 沙漏力系数为 0.2  (b)无沙漏力

图2 FEM和PD方法的位移结果

基于上述弹性案例测试，研究进一步将增强近场动力学模型应用于Winkler冲击案例，对比了不同沙漏力模型的裂纹扩展模式，体现了本研究模型的有效性。

图3 Winkler冲击试验结果：(a)校正沙漏力的测试结果(b)未校正沙漏力的测试结果(c)未施加沙漏力的测试结果

进一步，本研究模型被用于金属薄板的冲击问题，给出了金属薄板的破坏模式以及弹道极限曲线的预测。

图4 金属板穿透实验结果：(a)校正沙漏力的实验结果 (b)未校正沙漏力的实验结果 (c)未施加沙漏力的实验结果 (d)实验结果

图5 不同初速度下弹体的剩余速度曲线

本研究由河海大学、福州大学、中国船舶科学研究中心共同完成，将团队优势特色方向近场动力学与金属冲击失效问题相结合。相关成果于2025年8月发表在期刊《International Journal of Impact Engineering》上。福州大学陈丁副教授、河海大学黄丹教授为论文通讯作者，团队博士生余泽洋为论文第一作者。

感谢国家自然科学基金项目（No. 12302257, 12072104）、船舶结构安全全国重点实验室开放基金项目（No. Naklas2024KF006-K）以及江苏省“青蓝工程”项目对本研究的资助。

《International Journal of Impact Engineering》创刊于1983年，主要致力于发表与结构、部件和材料在冲击、爆炸和高速率载荷作用下的响应相关的原创研究成果。

撰稿：余泽洋

审核：周广得