物质点法是近年来迅速发展的一种兼具拉格朗日描述和欧拉描述优点的新型粒子型数值方法，特别适合分析具有超大变形和移动界面的问题。本书以冲击爆炸等问题为背景，系统地总结了物质点法的基本原理、程序实现方法及其典型应用，并以本课题组开发的三维显式物质点法程序MPM3D-F90作为示例程序，便于读者深入了解物质点法的基本原理和程序实现过程，并根据自己科研工作的需要对其进一步修改扩充。 本书可供计算力学、冲击动力学、爆炸力学及相关领域的科研人员、研究生和高年级本科生参考，也可作为相关研究生课程的教材。

前言 数值计算方法在科学研究与工程技术中得到了广泛应用，与理论研究和实验研究共同组成了现代科学技术的三大支柱。然而，超高速碰撞、冲击侵彻、爆炸、金属冲压成形、裂纹动态扩展、流固耦合、应变局部化等强非线性问题涉及材料的特大变形、破碎甚至熔化和汽化，包含了一系列复杂的物理过程，给数值计算方法带来了巨大的挑战。拉格朗日法可以很方便地跟踪材料的界面和引入与变形历史相关的材料模型，但对于涉及特大变形的问题会因网格严重畸变而产生数值求解困难，且难以有效地模拟材料的破碎、熔化和汽化等行为。欧拉法不存在网格畸变问题，适合于分析特大变形及流动问题，但不易跟踪材料界面，且非线性对流项也会导致数值求解困难。由质点网格法(particleincell,PIC)发展而来的物质点法(materialpointmethod,MPM)采用拉格朗日和欧拉双重描述，将物体离散为一组在空间网格中运动的质点。质点携带了所有的物质信息，如质量、速度、应变和应力等，可很方便地跟踪材料界面和引入与变形历史相关的材料模型。质点在空间网格中运动，运动方程在空间网格上求解，避免了网格畸变问题，适合于分析特大变形及流动问题。物质点法充分吸收了拉格朗日法和欧拉法的优点，是分析超高速碰撞、冲击侵彻、爆炸、金属冲压成形、裂纹动态扩展、流固耦合、应变局部化等问题的有效方法。 清华大学航天航空学院张雄教授课题组自2004年开始，以冲击爆炸问题为背景，对物质点法进行了系统研究，用Fortran90语言研发了三维物质点法数值仿真软件MPM3D(计算机软件著作权登记号2009SRBJ4761，2009)，可用于模拟超高速碰撞、冲击侵彻和爆炸等强冲击载荷作用下材料与结构的力学行为。为了便于进一步扩充和维护，从2007年开始，MPM3D软件改用C++语言研发，已实现了USF(updatestress.rst)、USL(updatestresslast)和MUSL(modi.edupdatestresslast)求解格式、广义插值物质点法(generalizedinterpolationmaterialpointmethod,GIMP)、接触算法、自适应算法、有限元法、杂交物质点有限元法、耦合物质点有限元法和自适应物质点有限元法，包含了多种材料模型、状态方程和失效模型。MPM3D软件具有OpenMP和MPI两种并行版本，实现了对称多处理系统(symmetricmultiprocessing,SMP)和大规模并行处理系统(massivelyparallelprocessing,MPP)两种体系下的并行计算。为了帮助读者深入了解物质点法的基本原理和程序实现方法，本书将原Fortran90版的MPM3D-F90程序简化 物质点法整理后开源，作为本书的示例程序，读者可根据自己科研工作的需要进一步修改扩充。 本书以冲击爆炸等问题为背景，系统地总结了物质点法的基本原理、程序实现方法和应用情况，重点介绍了本课题组的相关成果。全书共分为6章和1个附录。第1章简要介绍了拉格朗日法、欧拉法、混合法和无网格法的基本思想和研究进展，并总结了典型的拉格朗日和欧拉程序；第2章简要讨论了连续介质力学中物体运动和变形的描述方法（拉格朗日法和欧拉法）以及大变形下应变和应力的度量方法（变形梯度、变形率、柯西应力与焦曼应力率），并基于更新拉格朗日格式给出了描述物体运动和变形的控制方程，最后讨论了冲击波和爆轰波所满足的控制方程及温度计算方法；第3章从更新拉格朗日格式的弱形式出发，通过引入物质点离散建立了物质点法的基本格式及其显式求解和隐式求解方法，讲述了广义插值物质点法、接触算法、自适应技术和无反射边界，并以MPM3D-F90程序为例详细讨论了物质点法的程序实现技术，给出了相应的程序代码；第4章首先简要讨论了显式有限元法，然后介绍了本课题组建立的物质点有限元法、耦合物质点有限元法、自适应物质点有限元法和杂交物质点有限元法；第5章讨论了描述材料在外力作用下响应的材料模型，包括应力更新算法、本构模型、状态方程和失效模型，并详细讲述了这些模型的程序实现方法，给出了典型模型的程序代码；第6章介绍了物质点法在动态断裂问题、碰撞问题、爆炸问题、流固耦合问题、多尺度模拟、生物力学问题及其他超大变形问题中的应用，并给出了若干个由MPM3D程序计算的典型实例；附录A介绍了MPM3D-F90程序的使用方法和程序提供的关键字，并给出了一维板条TNT爆轰、泰勒杆碰撞、卵形弹斜侵彻和砂土边坡失效等典型算例，相应的输入数据文件可在网站http://www.mpm3d.com下载。 编写分工为：廉艳平负责编写第3.8节、第4章、第5.5节和附录A，刘岩负责编写第6章，周旭参与了第6章的编写工作，张雄负责编写其他章节和全书的统稿工作。本课题组的马上博士、黄鹏博士、马志涛博士、王汉奎博士、宫伟伟博士、周双珍博士、杨鹏飞博士生、李金光博士生、崔潇骁博士生和硕士毕业生张衍涛、王晓军、胡振鑫等都对本书做出了重要贡献，书中的许多工作是由他们具体完成的，另外，杨鹏飞还参与了第 3.6.2 节的编写工作，在此向他们表示衷心感谢。 由于作者水平有限，书中难免会存在不足和不妥之处，热忱希望读者和同行专家批评指正。 张雄廉艳平刘岩周旭2013年3月于北京

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