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工之声 | 力学家访谈录:刘谋斌教授

2021-07-05

2021年7月2日15:00,由西安建筑科技大学力学技术研究院(IMT)开展的力学家访谈,在IMT成功进行。访谈嘉宾是vnsc威尼斯城官方网站刘谋斌教授。


 

力学家访谈源于对力学家的致敬,以访谈形式请邀请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想,以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下:

 

问:大家了解到,您在金属增材制造的数值模拟与仿真方面做出了巨大的努力,其中,粒子-网格耦合技术十分重要,您能为大家简单先容一下该技术吗。

答:我之前的工作主要是在光滑粒子流体动力学(SPH)方面,增材制造是我近几年来到北大后开展的工作,其中相关的数值模拟与仿真技术更是国际竞争的热点、焦点,也是难点。

增材制造涉及粉末的输送、铺设到粉末的融化及凝固等等一系列关键技术,大家课题组一方面发展了基于CFD-DEM耦合用于模拟送粉、铺粉的创新算法,另一方面也发展了粉末尺度下金属融化和凝固的算法,并将它们结合起来。形成了粉末尺度下金属增材制造全过程高通量数值模拟技术,这可能是国内乃至国际上第一个金属粉末增材制造全过程数值模拟平台。

这个技术已经在工程领域初步获得成功应用,但还有不少进步的空间,例如计算的效率以及如何和工程进一步的结合等等。同样,因为颗粒的流动应用范围较广,这个粒子-网格耦合方法也能推广到更多的领域,例如沙尘暴、颗粒沉降、海洋工程、泥石流等等问题的数值模拟。

 

问:您课题组发展的半解析耦合算法(CFD-DEM)在模拟金属粉末输送方面具有较好的表现,该方法是否能运用到3D混凝土打印方面,例如物料的泵送、挤出,以及挤出后的成型。

答:无论是金属3D打印还是混凝土的3D打印,都是比较有意思且具有挑战性的问题。大家所发展的金属3D打印模拟平台是利用CFD-DEM用来模拟颗粒粉末的输送与铺设,在某种程度上是一个流体-颗粒两相流动问题。而对于3D混凝土打印,据我了解,应该与树脂、塑料的打印类似,通过某种设备将打印物料挤出或喷出,该物料一般可以考虑成非牛顿流体,使用可模拟大变形的有限元方法,辅以相对应的本构例如宾汉模型进行描述,同时还需考虑网格的大变形。而CFD-DEM比较适用于基材是金属粉末、陶瓷粉末等材料的3D打印领域。

 

问:您所提出的有限虚拟边界法(FEM-FBM)在处理颗粒边界复杂且随时间移动的情况下,具有很高的计算效率。您所提出的算法能否改善混凝土相关模拟计算效率较低这一问题。

答:FEM-FBM方法一般用于模拟多介质耦合,例如流固耦合,用于模拟船在海洋中运动,颗粒在水中或空气中的运动等等,计算精度也比较高。在计算效率方面,其使用自适应网格,再引入虚拟边界或浸入边界方法模拟多介质耦合,表现也还不错。当在宏观方面,将混凝土考虑为非牛顿流体,被视为单一介质,可以用非线性有限元方法进行模拟;而无论是CFD-DEM还是FEM-FBM方法都是比较适合模拟两种或两种以上的介质相互作用。

在金属增材制造粉末尺度的融化与凝固,粉末一般都是50-80微米,甚至较小的达到30微米左右,在考虑到整个粉床的情况下,精细模拟需要上亿网格。即便利用超算1000个核超算资源,计算时长也往往可能需要一天以上。在宏观方面,可以将混凝土看作非牛顿流体,采用自适应网格技术平衡计算精度和计算效率,也可以想办法增加时间步长从而减少计算时间、提高计算效率。从细观尺度分析,在研究混凝土中的骨料、胶结等情况,与金属增材制造还是存在一定的相似性。可以尝试自己编程,增加多核并行或利用GPU加速,速度可以提升几十倍甚至上百倍。

 

问:增材制造近二十年来飞速发展,其打印材料、打印技术也多种多样。能否将多种增材制造有机结合?

答:多种材料混合开展增材制造的技术已经逐渐出现,这也是一个可能的重要发展方向。比如,之前的增材制造一般是单一材料打印,但现在有的技术也许可以把金属和陶瓷混合起来打印,可以把复合材料和金属或者陶瓷混合打印,大家称为多介质增材制造。几年前,以色列有个增材制造企业,发明了一种多介质耦合增材制造的相关技术,可以把金属与陶瓷的粉末混合进行打印。该企业的打印技术与一般金属增材制造技术不同,一般的金属增材制造颗粒大小都是在30-80微米左右,相对较大,还没到纳米级别,所以将颗粒输送、铺设在粉床上融化打印。而这个以色列企业将金属、陶瓷颗粒进一步粉碎,达到纳米程度,然后将颗粒混合在一起,利用某种粘合剂进行粘合,形成所谓的打印墨水,利用相应的打印机喷射出来,进行逐层打印。

 

问:数值模拟方法是大家研究事物关系的一种重要且高效的手段。如何针对特定问题开发相关算法进行数值模拟研究,您能向大家分享下您的研究心得么?

答:这个是一个非常好的问题。数值模拟或所谓的先进计算技术,是国际上的一个热点领域。美国在今年发布的国家竞争力关键技术发展战略中,将先进计算列为第一个关键技术,这表现出了先进计算至关重要的地位。当然,不同的问题具有不同的特点,可能会需要利用不同的数值模拟方法。比如之前提到的3D混凝土打印,它的数值模拟技术和金属增材制造存在一定的差别。

其他还有更多的例子,例如在研究流体流动时,一般采用有限体积、有限差分等欧拉网格方法进行模拟,而模拟结构的运动,一般采用拉格朗日框架下的有限元方法。研究山体滑坡问题,刚开始坡体是稳定或者临界失稳状态时,大家可以利用有限差分、有限元、有限体积进行模拟,但是如果滑坡坡体破碎比较利害,则需要利用离散元这样的粒子相关的方法进行模拟。

不同问题有不同的特点,往往需要用不同的方法去描述。可以说没有最好的方法,只有最合适的方法。要发展一个十全十美的方法是不现实的。

 

问:大家了解到,您的学生于2018年获第13届OpenFoam全球开发者大会最佳学生报告奖,您对于大家研究生在如何做好科研方面有什么建议?

答:我引导的学生不算太多,大概有十几位,但普遍表现比较优秀,很多学生获得过国家奖学金、校长奖学金,以及国内外会议的最佳报告奖或论文奖等奖励和荣誉。每一位研究生有不同的特点,有不同的优势,但也有自己的不足。所以,老师首先需要发掘学生的优点、特点,对学生自己而言也要正确认识自己的优点与不足。老子曾说过:“知人者智,自知者明。”所以大家需要真正认识自己,知道自己的优势在哪,并把优势很好的发挥出来。

同时,每个人有不同的特点,但也有共同点,而在科研方面,我觉得共同点在于,好奇心与恒心。好奇心代表着兴趣驱动。而恒心与毅力是坚持的关键,尤其在数值模拟的研究工作中,需要发展算法、编写程序、调整代码、验证结果等等。好奇心吸引你坐下来,而恒心让你坐得住。在数值模拟调试程序过程中,代码中的一个小bug,有可能将花费一个星期甚至更长时间去解决;如果坐不住肯定不行。但我相信只要坚持,有足够的恒心与毅力,肯定会收获科研成果,享受成功的喜悦。

 

 

转载自西安建筑科技大学力学技术研究院(IMT)

原文链接:http://imt.xauat.edu.cn/info/1008/2456.htm

撰稿人:刘轩廷

校对:李权威

 

 

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