黄张聪博士在近场动力学各向异性材料建模领域取得进展

近日，中国石油大学（华东）机电工程学院张彦廷教授团队的黄张聪博士在三维正交各向异性材料近场动力学建模领域取得重要进展。团队针对键基近场动力学（BB-PD）在模拟复合材料等三维正交各向异性结构时面临的几何约束强、数值稳定性差等难题，创新提出一种“基于应力等效刚度函数的本构建模方法”。该方法有效克服了现有球谐函数法在三维空间建模中的数值缺陷，实现了对正交各向异性材料变形行为及复杂断裂路径的精准预测，为关键装备的力学性能评估提供了新一代数值仿真方案。该研究成果以《A three-dimensional orthotropic material constitutive modeling method for the peridynamic as an alternative to the spherical harmonic method》为题，发表于工程技术与数学力学领域国际权威期刊《Applied Mathematical Modelling》。该期刊为WOS JCR Q1区期刊，且在中科院分区中位列小类1区（数学跨学科应用）和大类2区（工程技术）。

论文第一作者为机电工程学院张彦廷教授，机电工程学院博士研究生黄张聪为论文第二作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位和通讯单位。研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的资助与支持。

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论文主要创新点如下：

（1）建立了基于应力等效刚度的三维正交各向异性本构模型。

针对经典PMB模型难以描述各向异性材料的局限性，团队通过引入加权等效弹性矩阵与张量旋转操作，建立了应变能密度与近场动力学键刚度之间的映射关系，成功将键基近场动力学理论扩展至三维正交各向异性材料的建模分析中，突破了传统方法的几何限制。

（2）揭示并解决了传统球谐函数展开法在三维建模中的数值稳定性难题。

通过对比分析，团队发现现有的球谐函数（SH）方法在处理三维强各向异性材料时，存在几何不连续及“负刚度”缺陷，极易导致计算发散。本研究提出的应力等效刚度（SE）函数在三维空间内分布连续光滑且恒为正值，从物理本质上保证了数值计算的收敛性与稳定性，显著提升了计算精度。

（3）实现了复杂应力状态下各向异性断裂行为的精准捕捉。

通过多组基准变形测试及紧凑拉伸（CT）断裂实验验证，该模型不仅具备极高的网格独立性，更能准确模拟裂纹沿“最小刚度方向”扩展的物理机制。在强各向异性材料的断裂模拟中，该方法成功复现了裂纹偏转、分叉等复杂路径，有效解决了复合材料层内损伤演化预测难的问题。