成果｜密院教师沈泳星课题组实现对动态断裂问题的非同步求解
近日，上海交通大学密西根学院教师沈泳星团队在计算力学领域顶级期刊 International Journal for Numerical Methods in Engineering在线发表了题为“An asynchronous variational integrator for the phase field approach to dynamic fracture”（一种用于求解动态断裂相场的非同步变分积分方法）的研究论文。该研究提出的方法为提高动态断裂相场计算效率提供了有力工具，为进一步探究动态裂纹的扩展和分叉等行为奠定基础。
部分动态裂纹扩展路径相场结果，其中1表示材料完全断裂，0表示完好无损
断裂力学是研究材料和结构中裂纹扩展规律的一门学科。其中动态裂纹扩展指的是高速加载下或其他原因之下裂纹的高速扩展，涉及到裂纹的分叉和不稳定传播等，具体实例有手机跌落导致屏幕破碎，锂电池受冲击破坏，地震中房屋墙体开裂，液化气罐爆炸等。由于动态裂纹扩展时间短，传播速度快且涉及多空间尺度和多物理过程，通过实验手段研究存在诸多挑战，而数值模拟是研究动态裂纹行为的一种重要手段。传统的数值方法基于同步求解力学和裂纹演化方程，直接求解比较耗时。当固体含有多种材料组分时，时间步要迁就体系中波速最快的组分，造成一定程度上的计算资源浪费。
为了提高计算效率，沈泳星研究团队采用了非同步的算法，即在不违反因果律的前提下，非同步地求解局部信息。在波速较快的区域使用较小的时间步，波速慢的区域使用较大的时间步，这样对后者来说可以节省大量计算资源。此外，由于每次只求解一个局部区域，复杂的裂纹求解也只在局部进行，因此，非同步方法使得求解效率非常高，是传统同步方法的3-4倍。
一维情况下三单元网格非同步时间离散示意图。传统方法全部三个单元同步更新；非同步方法里每个单元的更新时间不同步，但整个区域的求解顺序仍然遵守时间上的先后顺序，并遵守因果律。
沈泳星副教授为论文通讯作者，密院博士生牛宗武为第一作者。其他作者还包括原密院博士后、现德国亥姆霍兹环境研究中心博士后Vahid Ziaei-Rad和密院2022届本科毕业生吴宗源（现就读于卡耐基梅隆大学）。论文受到了国家自然科学基金项目（11972227）和上海市自然科学基金项目（19ZR1424200）的资助。
沈泳星，上海交通大学密西根学院长聘副教授，博士生导师。2003年获得清华大学本科学位，2006年和2008年分别获得美国斯坦福大学硕士和博士学位。获得博士学位后留在斯坦福大学从事博士后研究工作。2011年到西班牙巴塞罗那加入加泰罗尼亚理工大学任讲师、博士生导师。2014年回国加入上海交通大学密西根学院，入选国家级人才计划。主要从事计算断裂力学研究。以第一或通讯作者在计算力学顶级期刊International Journal for Numerical Methods in Engineering及Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering发表文章十余篇，另有一篇发表在Theoretical and Applied Fracture Mechanics上的论文入选Web of Science“高被引论文”。主持国家自然科学基金面上项目等3项国家级项目。
往期回顾
荣誉 | 密院教师Horst Hohberger获2022年上海交通大学“教书育人奖”一等奖
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