摘要：异质材料的界面力学行为是影响其性能与可靠性的关键因素。传统连续介质力学在描述裂纹尖端时存在局限，而近场动力学（Peridynamics, PD）通过非局部积分方程克服了这一难题，但在处理弱不连续界面问题时缺乏理论支持。

一 、引言

异质材料的界面力学行为是影响其性能与可靠性的关键因素。传统连续介质力学在描述裂纹尖端时存在局限，而近场动力学（Peridynamics, PD）通过非局部积分方程克服了这一难题，但在处理弱不连续界面问题时缺乏理论支持。

近日，复合材料TOP期刊Composite Structures刊发了一篇由中国地质大学（北京）刘永升教授团队提出的一种创新的界面相场-近场动力学耦合模型（interface Phase Field with Peridynamics, IPF-PD）。该研究在近场动力学框架中引入相场序参量，实现了界面力学性能的连续过渡与损伤演化的高精度模拟，为异质材料界面失效分析提供了新方法。论文标题为“Phase field-peridynamics coupling method for interface mechanical properties of heterogeneous materials: Model and validation”。

二 、研究内容与方法

1.模型构建

基于界面相场弥散理论，采用指数衰减函数将离散界面转化为连续过渡区域，通过相场序参量λ∈[0,1]调控材料力学参数（弹性模量、断裂韧性）的梯度分布。将相场序参量嵌入近场动力学运动方程，构建界面相场-近场动力学耦合（IPF-PD）模型，如图1所示，建立近场力与界面弥散的关联，修正能量释放率以确保断裂能守恒。

图1 界面相场-近场动力学（IPF-PD）耦合模型的PD键变形和界面力学特性表征

2.模型验证

结合数字图像相关技术（Digital Image Correlation, DIC），如图2所示，测量环氧树脂-聚丙烯界面附近位移和应变场。通过DIC实验与IPF-PD模型的结果对比，如图3和图4所示，验证了IPF-PD模型对界面变形的捕捉能力。

图2 数字图像相关（DIC）的双材料拉伸实验

图3 环氧树脂和聚丙烯材料损伤前的位移曲线

图4 双材料板变形和拉伸失效 (a)(b)：破坏前IPF-PD模型及DIC实验位移场；(c)(d)：破坏后DIC实验及IPF-PD模型位移场；(e): DIC实验应变分布；(f)：IPF-PD耦合模型的损伤分布。

3 .模型收敛性分析

对比有限元结果和IPF-PD模型在不同离散尺度下的位移，随着物质点间距减小，位移分布逐渐接近有限元解，如图5和图6所示。表明不同离散化水平的IPF-PD模型具有良好的收敛性。

图5 含双增强体的平板拉伸IPF-PD模型和有限元模型的x方向位移

图6 不同物质点间距的x方向位移变化

三、 结论与展望

该研究结合相场法的界面表征与近场动力学的非局部损伤优势，通过IPF-PD耦合模型实现了异质材料界面力学行为的精准预测，开辟了界面力学研究新思路。未来工作将拓展至三维动态裂纹扩展模拟，并进行多物理场建模和损伤分析。

原始文献：

Liu, Y., Xu, H., He, C., & Xia, J. (2025). Phase field-peridynamics coupling method for interface mechanical properties of heterogeneous materials: Model and validation. Composite Structures, 356: 118887.

来源：材料技术