材料非线性微-宏观分析的多尺度方法研究

介绍并比较了近年来在材料非线性微-宏观分析多级数值方法方面的研究工作. 针对考虑材料内摩擦接触的颗粒材料多尺度计算问题,建立一种基于数值技术的多级分析方法. 方法的特点是在对材料进行微观分析的基础上建立宏观材料的多尺度非线性数值本构模型. 而对材料弹塑性多级分析问题,建立了基于转换场技术的算法,采用近似技术建立非线性分析的本征应变矩阵,使方法具有表达简单与实现方便的特点. 给出了数值算例,通过比较说明了方法的正确性与有效性.     

考虑损伤累积的热弹塑性问题变分原理及其有限元方法

本文基于连续介质损伤力学中有效应力的概念，研究建筑结构抗火分析中遇到的热弹塑性问题与损伤的耦合，并运用参变量变分原理，建立起用于热弹塑性损伤问题结构分析的变分原理。本文给出了原理应用的有限元列式。具有明确的物理意义，表达形式规范，便于数值手段实现。     

基于参变量变分原理的非均质多边形微结构材料弹塑性分析

为了更好地模拟复合材料及含夹杂非均质材料等的宏观弹塑性力学性能,简化有限元建模时间和减少有限元模拟计算量.本文基于参变量变分原理,提出了一种采用任意多边形弹塑性单元进行结构非线性分析的参数二次规划算法,给出了参变量最小势能原理以及最终的二次规划模型,并在有限元分析与优化设计软件系统JIFEX上进行了程序实现.数值算例证明了本文方法的正确与可行性.     

具有损伤耦合效应的弹塑性蠕变问题结构分析的变分原理

本文基于连续介质损伤力学中有效应力的概念,研究弹塑性蠕变问题中的损伤耦合,并应用由最优控制理论基本思想发展起来的参变量变分原理建立起用于弹塑性蠕变损伤问题结构分析的变分原理.文中给出了原理的证明.该原理的物理意义明确,表达式简单且规范,容易为数值手段实现.     

混凝土受拉性能多尺度均匀化数值模拟研究

为研究混凝土的细观结构对其受拉性能的影响,本文首先采用蒙特卡罗方法生成了多组混凝土随机骨料模型;然后划分有限元网格并映射到所建立的混凝土随机骨料数值模型上,采用复合材料均匀化方法建立了混凝土多尺度均匀化数值模型.考虑骨料随机分布和骨料形状,通过数值分析得到了在单轴拉伸情况下混凝土损伤分布特性及宏观应力-应变关系,在考虑随机性与非均质性的同时得到了较为理想的结果.运用多尺度均匀化的建模方法不仅能反应混凝土细观结构的影响,而且等效化模型的模拟计算时间大大减少,节约计算资源,提高了计算效率,具有优越性.     

复合材料中的渐近均匀化方法

本文将非均质弹性体的渐近均匀化方法应用于复合材料的宏观与细观分析之中。该方法基于平均化的思想，将复合材料视作由周期性的细观结构所构成，其场变量依赖于宏观和细观两个尺度的坐标变量而变化。通过建立位移和应力的渐近表达式，推导出关于周期性基元的细观平衡方程和细观本构关系，并与有限元数值方法相结合，得到材料的宏观等效性能和细观应力分布。对典型算例的分析，反映出该方法的有效性及准确性。     

金属基纳米复合材料等效弹性模量的均匀化方法数值模拟

均匀化理论利用位移场双尺度渐近展开建立有限元列式,本文将其与有限元通用程序相结合,应用于金属基复合材料的弹性本构数值模拟。通过对不同尺度增强相金属基复合材料等效模量的数值模拟,考察了均匀化方法的适用情况。数值计算结果表明,对常规尺度增强相金属基复合材料,均匀化方法可以较准确地预测其等效弹性模量;对纳米增强相金属基复合材料,该方法仍可给出较好的预测,但存在某种程度的系统偏差。通过对纳米尺度增强机理的分析讨论,认为纳米增强相与基体材料问的界面效应可能有别于连续介质假设,指出可以考虑采用离散原子-连续介质耦合模型改进数值模拟结果。     

用于弹性蠕变损伤问题的参变量变分原理

参变量变分原理是近年来发展的用于处理数学物理问题中边界待定边值问题的一种有效方法,本文建立起用于蠕变损伤问题结构分析的参变量变分原理,该原理将原问题化为求解带约束条件的泛函极值,其约束条件就是由蠕变损伤本构关系推导出的系统状态方程组;该原理物理意义明确、表达式简单并且规范,容易为计算机实现。本文给出原理的证明,并就2.25Cr-1Mo钢在550℃下的蠕变问题给出实例。     

二维类桁架材料结构弹塑性分析

类桁架材料所构成结构的弹塑性行为的精确建模分析保证非常耗时, 为了 在保证精度的前提下提高此类问题的求解效率, 本文利用类桁架材料基本构件长细比 较大的特点,将材料单胞简化为桁架模型. 考虑到微单胞空间分布的周期性,基于 数值均匀化理论提出了类桁架材料结构的宏微观两 级弹塑性求解格式. 原问题转化为宏观上一个非线性弹性连续体计算问题和微观上多个小规 模桁架系统的弹塑性计算问题. 两个数值算例分别考虑了简单加载,非单调加载,规则宏观 结构和具有非完整单胞的较复杂宏观结构等问题. 与实际结构计算结果在精度和时间等方面 的比较验证了求解格式的有效性. 最后还探讨了算法的适用范围.     

参变量变分原理的提出、发展与应用

参变量变分原理及其参数二次规划算法是由钟万勰院士1985年针对弹性接触边界非线性问题首次提出来的,经过将近40年的不断发展,目前参变量变分原理已经成功应用于各个领域,其中包括弹塑性分析、接触问题、润滑力学、岩土力学、变刚度杆系结构、先进材料性能分析、材料的蠕变与损伤、柔性结构力学和LQ最优控制等各个工程领域。本文首先回顾了参变量变分原理的起源,介绍了参变量变分原理的基本概念,然后以弹塑性分析问题为例,阐明建立参变量变分原理的理论模型以及实现数值参数二次规划求解原理,最后详细回顾了参变量变分原理的基本理论与相应数值算法在各个领域的发展及其工程应用,展示了参变量变分原理在求解各类非线性问题的特色与优势。     

THE VARIATIONAL PRINCIPLES FOR PYROELECTRIC MEDIA

The pyroelectric medium is an important material in the application of smart materialsand structures.It is necessary to systematically discuss all kinds of variational principles which play avery significant role in the fundamental theory of mechanics and numerical analysis method.This paperfirstly gives the quasi-static and the dynamic variational principles,then the principles for eigen prob-lems.As a simple example,the principle was finally applied to derive the fundamental equations for ananisotropic piezoelectric plate.     

On Material Equations in Second Gradient Electroelasticity

The concern of this work is the derivation of material conservation and balance laws for second gradient electroelasticity. The conservation laws of material momentum, material angular momentum and scalar moment of momentum on the material manifold are derived using Noether's theorem and the exact conditions under which they hold are rigorously studied. The corresponding balance laws are also presented. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

Homogenization and Global Responses of Inhomogeneous Spherical Nonlinear Elastic Shells

Homogenization of radially inhomogeneous spherical nonlinear elastic shells subject to internal pressure is studied. The equivalent homogeneous material is defined in such a way that it gives rise to exactly the same global response to the pressure load as that of the inhomogeneous shell. For a shell with general strain–energy function and inhomogeniety, the strain–energy function of the equivalent homogeneous material is determined explicitly. The resulting formula is used to study layered composite shells. The equivalent homogeneous material for an infinitely fine layered composite shell is examined, and is found to give not only the same global response, but also the same average stress field as the composite shell does.     

Variational principles of fluid full-filled elastic solids

IntroductionManypracticalproblemsinengineeringinvolveanalysisoffluidfijll-filledelasticsolids.Energyexplorationand"utilizationaretwoexamples.ThefieldequationsofBlot'sstaticalanddynamicaltheoryoffluidfijll-filledelasticsolidswereestablishedinRefs.[1,Zj.BecausetheitisdifficulttogetexactanswersInumericalmethodsareadopted,especiallythet'initCelementmethod.Theelementmethodbasedonvariationalprinciplesisappliedextensively.GhaboussiandWilsonderivedvariationalprinciplesonthebasisofBlot'sequationsan…     

饱和多孔介质耦合系统的几类变分原理

采用变积方法，建立了一组等温准静态下饱和多孔介质的六类变量的广义变分原理，在此基础上，引入约束条件得到五类变量，四类变量，三类变量和二类变量的变分原理，为建立饱和多孔介质的有限元模型提供了基础。     

Variational principles of nonlinear piezothermoelastic media

Through the phenomenological approach, the nonlinear constitutive equations coupling the electro/magnetic thermoelastic media are derived. Several nonlinear variational principles for piezothermoelastic continua are presented and employed to formulate the incremental variational principles which are of important significance in practical applications such as the nonlinear finite element analysis, the buckling, postbuckling and dynamic stability analyses of piezoelectric smart structures. The work is supported by the National Natural Science Foundation, the Doctoral Education Foundation and the Aerospace Foundation.     

纤维加强复合材料的总体粘弹性响应

在某些纤维增强复合材料(FRC)中使用金属或高分子聚合物作为基体材料.在高温等情况下,这类材料具有明显的粘弹性特性.本文采用Riemann-Liouville形式的分数阶导数模型描述基体的粘弹性特性.通过渐近均匀化方法给出了预测FRC整体三维本构关系的解析表达式.给出了应用于基体具有Makris粘弹性关系的具体形式.以圆截面纤维正方形排列的情形为例,给出了等效模量随纤维体积比的变化曲线.结果说明,这类复合材料仍具有粘弹性特性,其整体粘弹性本构关系的弹性部分综合了纤维弹性和基体弹性的贡献,粘性部分来自基体粘性的贡献,复合材料具有和基体相同的粘性系数和分数阶.为分析微结构特征对整体特性的贡献,须求解两类局部问题.可以看出,在整体的等效模量中包含了局部变形的贡献,局部变形增加了复合材料的耦合刚度.     

压电介质有限变形的增量变分方程

从连续介质力学的基本理论出发，导出了压电介质几种非线性率型变分方程，在定义了各种增量之后，由率型变分方程得到了四种增量变分方程，即压电介质的ＴｏｔａｌＬａｇｒａｎｇｅ和ＵｐｄａｔｅｄＬａｇｒａｎｇｅ变分方程，它们是导出压电介质非线性有限元方程的基础，也可用于推导其它的简化理论。     

Rigid finite element and limit analysis

According to the lower bound theorem of limit analysis the Rigid Finite Element Method (RFEM) is applied to structural limit analysis and the linear programmings for limit analysis are deduced in this paper. Moreover, the Thermo-Parameter Method (TPM) and Parametric Variational principles (PVP) are used to reduce the computational effort while maintaining the accuracy of solutions. A better solution is also obtained in this paper. The project supported by National Natural Science Foundation of China     

复合材料组分性能随机性识别的克里金随机分析方法

建立非均匀材料宏观力学性能与微结构参数之间的定量关系一直是人们所关心的问题,利用材料微结构参数和组分性能预报复合材料宏观力学性能,已经取得了很大的进展,然而已知复合材料宏观性能,如何开展组分性能的随机识别,目前的研究工作还不多见.论文考虑了复合材料的随机性,在已知复合材料宏观有效性能的随机性条件下,采用克里金随机分析方法,对复合材料组分性能的随机性进行识别,通过单向纤维复合材料的宏观有效性能的随机性,计算得到了纤维弹性模量的均值与方差,证明了该方法的有效性.