|
為解決上述問(wèn)題，德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)、德國(guó)烏爾姆大學(xué)和華南理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型內(nèi)聚相場(chǎng)界面斷裂模型（Model-E2）。該模型采用基于Allen-Cahn方程的指數(shù)函數(shù)插值方法，在體相與界面之間平滑過(guò)渡斷裂能，并通過(guò)求解相場(chǎng)理論的Euler-Lagrange方程與內(nèi)聚區(qū)模型在尖銳界面概念下的一致性，確定了有效的界面斷裂能   該模型在多個(gè)基準(zhǔn)算例中表現(xiàn)出優(yōu)越性能。在純力學(xué)和化學(xué)-力學(xué)耦合條件下，Model-E2 均能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂紋在界面處的偏轉(zhuǎn)或穿透行為，與線性彈性斷裂力學(xué)（LEFM）判據(jù)一致。例如，在界面傾角為30°和 45°時(shí)裂紋沿界面擴(kuò)展，而在 60° 時(shí)穿透體相。最大反應(yīng)力偏差：從>20%降至<3%；裂紋路徑一致性：從尺度敏感變?yōu)槌叨炔幻舾校?span textstyle="" style="font-weight: bold;">計(jì)算穩(wěn)定性：在不同 L/b 下結(jié)果波動(dòng)顯著降低。文章還通過(guò)對(duì)比多種現(xiàn)有模型，如Model-S0、Model-E0等，突出Model-E2在能量一致性和尺度不敏感方面的優(yōu)勢(shì)。 該研究進(jìn)一步將該模型拓展至化學(xué)-力學(xué)耦合情景，并應(yīng)用于基于圖像重建的三維多晶NMC正極材料中。模型能夠同時(shí)模擬沿晶界（inter-granular）和穿晶（trans-granular）的斷裂行為，并表現(xiàn)出對(duì)復(fù)雜晶界拓?fù)涞母哌m應(yīng)性。在快速充放電條件下，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察到的裂紋模式高度一致，表明該模型在真實(shí)電池材料損傷與失效分析中具有重要應(yīng)用價(jià)值。 該研究提出了一種新型的、對(duì)長(zhǎng)度尺度不敏感的內(nèi)聚相場(chǎng)界面斷裂模型，通過(guò)指數(shù)插值函數(shù)與能量一致性約束，有效統(tǒng)一了體相與界面斷裂的模擬框架。該模型在純力學(xué)與化學(xué)-力學(xué)耦合條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的預(yù)測(cè)一致性和參數(shù)魯棒性，并在三維多晶電極顆粒中成功模擬出復(fù)雜的斷裂模式。該研究不僅解決了相場(chǎng)界面模型中的能量不一致與尺度依賴問(wèn)題，還為鋰離子電池等多相材料系統(tǒng)的損傷與失效分析提供了強(qiáng)有力的計(jì)算工具。  圖1 不同模型中斷裂能 G(x)與相場(chǎng)分布 d(x) 的空間分布  圖2 二維情況下所提出的相場(chǎng)界面模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)示意圖  圖3 NMC多晶顆粒中化學(xué)-力學(xué)斷裂的內(nèi)聚相場(chǎng)模型示意圖  圖4 裂紋撞擊界面的示意圖及各傾角下的偏轉(zhuǎn)/穿透預(yù)測(cè)  圖5 化學(xué)-力學(xué)耦合下裂紋撞擊界面的模擬結(jié)果  圖6 在多晶微結(jié)構(gòu)中階梯型與指數(shù)型斷裂能插值實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比   圖7 基于圖像重建的3D NMC正極顆?；瘜W(xué)-力學(xué)模擬結(jié)果 原始文獻(xiàn)： Chen, W.-X., Peng, X.-L., Wu, J.-Y., Furat, O., Schmidt, V., & Xu, B.-X. (2025). A length-scale insensitive cohesive phase-field interface model: Application to concurrent bulk and interface fracture simulation in Lithium-ion battery materials. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 196, 106013. 原文鏈接： https:///10.1016/j.jmps.2024.106013 |
|
|
來(lái)自： 復(fù)合材料力學(xué) > 《待分類(lèi)》
