非均质材料动力分析的广义多尺度有限元法

自然界和工程中的大部分材料都具有多尺度特征,当考察尺度小到一定程度后,都将表现出非均质性.针对非均质材料的动力问题,提出了一种广义多尺度有限元方法,其基本思想是利用静态凝聚法以及罚函数法构造能够反映单元内部材料非均质特性的多尺度位移基函数.与传统扩展多尺度有限元法中的基函数构造方式不同,广义多尺度有限元法的基函数无需通过在子网格域上多次求解椭圆问题得到,而可直接通过矩阵运算获得.其主要步骤如下:利用数值基函数将一个非均质单胞等效为一个宏观单元,进而形成整个结构的等效刚度矩阵,并得到宏观网格的节点位移,最后再次利用数值基函数得到微观尺度上的位移结果.该广义多尺度有限元法是扩展多尺度有限元法的一种新的拓展,可模拟具有更加复杂几何的非均质单胞的力学行为.通过数值算例,模拟了非均质材料的静力问题、广义特征值问题以及瞬态响应问题,计算结果表明:在边界条件一样的情况下,广义多尺度有限元法的计算结果与传统有限元的计算结果保持高度一致.与传统有限元相比,该方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率.研究结果表明,广义多尺度有限元法能够很好地模拟非均质单胞的力学行为,具有良好的工程应用潜力.      

准连续体方法研究进展

准连续体方法是一种将连续介质方法和原子模拟相耦合的多尺度模拟方法。该方法巧妙地将分子静力学与有限元法相结合，在变形梯度较小的规则区域采用代表性原子作为计算点，以此为节点形成有限元网格，其周围其他原子的位置通过插值得到。代表性原子的引入，使系统原子势能的计算大大简化。自适应手段的应用，保证了材料缺陷核心附近原子尺度的细节描述。与其他纳米力学计算方法相比，准连续体方法具有计算精度高，计算规模大等优点。本文主要介绍了准连续体方法的基本原理及发展状况，归纳并总结了这一些优点及今后的发展方向。     

裂缝介质渗流多尺度混合有限元数值模拟研究

针对裂缝介质具有多尺度特点,建立了Darcy/Stokes-Brinkman多尺度耦合模型,采用多尺度混合有限元方法,对裂缝介质渗流问题进行了研究.阐述了多尺度混合有限元方法的基本原理,并推导得到Darcy/Stokes-Brinkman方程的多尺度混合有限元计算格式.数值计算结果表明,大尺度Darcy模型能够捕捉到小尺度上裂缝网络渗流特征;与网格粗化、传统有限元方法相比,多尺度混合有限元方法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点,在保证计算精度的同时能够减少计算量,对于裂缝油藏具有良好的适用性.     

钢-混凝土混合框架结构多尺度分析及其建模方法

多尺度计算是保证计算精度的同时最大限度降低计算代价的有效途径,在众多学科领域和工程问题中都得到了应用.在结构有限元多尺度分析领域,要解决的一个关键问题是如何实现局部微观模型与宏观结构模型之间的共同工作.为实现精细有限元模型在植入宏观结构模型时不同尺度模型界面的变形协调,提出有限元微观模型与宏观模型的界面连接方法,给出了轴向、横向和转角的约束方程.通过编制用户子程序,使该方法在有限元软件中得以实现,并通过简单的圆柱筒算例,对界面连接的合理性进行了验证.最后基于多尺度建模方法和复杂混合结构节点的精细模型,给出了钢-混凝土混合框架结构多尺度弹塑性时程分析的应用实例,结果表明多尺度计算可较好模拟节点的复杂边界条件.本文建议的界面连接方法可有效实现不同尺度模型界面的变形协调,为工程结构进行多尺度提供了条件.     

离散元与壳体有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题。本文尝试建立三维离散元与壳体有限元结合的多尺度方法用于处理圆柱壳问题,该方法采用三维离散元对感兴趣的局域进行局部模拟,利用平板壳体有限元进行整体模拟,采用一种特殊的过渡层使离散元区和有限元区能很好的衔接。我们将这一方法应用于激光辐照下充压柱壳的热/力耦合冲击破坏响应,得到的模拟结果与文献报道有较好的吻合。     

三维非均匀脆性材料破坏过程的数值模拟

采用有限元方法模拟了三维均匀固体材料在宏观等效力学性质和破坏过程。首先采用格形（lattice）方法把试件离散成三维均匀网格,在每个单元格中将材料按照均匀处理,根据给定的统计规则来确定不同单元格中的材料常数以反映材料的非均匀性。然后对非均匀脆性材料选用简单的本构关系与断裂准则,采用自适应选取载荷步长对试件进行加载,通过非平衡迭代技术对刚度矩阵进行不断修正,实现了非均匀脆性材料的弹性行为及破坏过程的数值模拟。在此基础上,通过数值计算研究了材料的非均匀分布对宏观等效力学性质和破坏过程的影响,给出了破坏全过程的非线性载荷－位移曲线以及不同载荷阶段的三维损伤破坏的演化图。     

应变局部化分析的嵌入强间断多尺度有限元法

固体材料的应变局部化行为是导致结构破坏失效的重要因素之一,开展相关数值模拟分析对于结构安全性评估具有重要意义.然而由于材料的非均质和多尺度特性,采用传统数值方法进行求解时通常需要从最小特征尺度离散求解的结构,这将大幅度增加计算规模和成本.针对这一问题,本文提出了一种基于嵌入强间断模型的多尺度有限元方法.该方法从粗细两个尺度离散求解模型,首先在细尺度单元上引入嵌入强间断模型来描述单元间断特性,所附加的跳跃位移自由度则通过凝聚技术进行消除,从而保持细尺度单元刚度阵维度不变.其次,提出了一种增强多节点粗单元技术,其可根据局部化带与粗单元边界相交情况自适应动态地增加粗节点,新构造的增强数值基函数可以捕捉细尺度间断特性,完成物理信息从细单元到粗单元的准确传递以及宏观响应的快速分析;再次,在细尺度解的计算中,将细尺度解分解为降尺度解与单胞局部摄动解,从而消除弹塑性分析时单胞内部的不平衡力.最后,通过两个典型算例分析,并与完全采用细单元的嵌入有限元结果进行对比,验证了所提出算法的正确性与有效性.     

近场动力学研究进展

近场动力学(Peridynamics或PD)理论基于非局部作用思想,采用空间积分描述物质内部作用,对于从连续到非连续、微观到宏观的力学行为具有统一的表述,数值上天然具有无网格属性和不连续求解功能,在分析不连续,多尺度等问题时展现出了具有优势的适用性和可靠性.本文介绍了近场动力学的发展背景;概述了其理论基础、数值实现过程和计算体系,并在此基础上探讨了近场动力学理论和数值模型的适定性,以及与传统连续介质模型和分子动力学模型进行耦合的可行性;系统分析了近场动力学方法在各个领域上的应用发展现状和趋势,包括静态、动态破坏问题,基于近场动力学的材料模型,以及新兴的疲劳问题研究和多尺度、多物理场的耦合问题;最后对近场动力学方法目前存在的局限性和将来的研究进行了探讨.     

Biot-Cosserat连续体-离散颗粒集合体模型的非饱和土连接尺度方法

耦合了非饱和多孔多相介质有限元模型和颗粒介质离散元(DEM)模型,提出了以宏、细观尺度分别耦合Biot-Cosserat连续体模型和离散颗粒集合体模型的连接尺度方法来分析非饱和含液颗粒材料的力学渗流耦合问题。根据被动空气压力假定和对空间离散孔隙水质量守恒方程的约化,从非饱和土有限元控制方程的基本未知量中消去了孔隙水压力,而将其取作有限元积分点上定义取值的内状态变量,进而建立了节点未知量仅包含固相线位移和转角的非饱和Cosserat多孔连续体约化有限元数值模型。基于连接尺度方法(BSM)宏、细观尺度数值过程的解耦计算的特点,对宏、细观两尺度数值模型的时域积分分别采用隐式Newmark方法和显式中心差分法,且取不同时间步长以提高计算效率。与全域采用DEM的精细分析方法相比,本文BSM在保证计算精度的前提下可大幅节省计算时间。在不考虑湿化效应的边坡稳定算例中,在得到类似计算精度条件下它比全域采用DEM节省计算时间高达86.65%。二维边坡稳定算例结果验证了本文连接尺度方法的有效性,以及在揭示含液颗粒结构细观破坏机理上的优点。数值算例结果显示,边坡承载能力因降雨大幅下降约50%,这表明本文发展的计及伴随湿化过程的颗粒材料结构中饱和度及吸力分布演变及其对结构破坏失效影响的非饱和颗粒材料多尺度计算模型是很有必要的。     

混凝土材料宏观力学特性分析的细观单元等效化模型

提出了一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法—细观单元等效化模型。该方法从描述混凝土材料的细观尺度入手,采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后,依据混凝土材料特征单元尺度来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各细观单元的有效力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。本文方法体现了材料非线性宏观力学特性源于其内在的不均匀性这一认识,而对不均匀性的描述则是以网格剖分是否影响其宏观力学特性为准则。因此,本文方法较其他细观力学方法最大的优点在于极大地减小了体系自由度数目（特别是对于三维问题）,从而提高了计算效率。算例分析初步验证了本文方法的高效性。     

自适应无网格法在生物涂层接触问题中的应用

自适应无网格法是针对有限元法无法求解或者不易求解的复杂问题,利用无网格法节点排布灵活、易于增删节点、便于自适应分析等优点发展起来的. 在对自适应无网格法理论基础和发展进行总结基础上,采用基于应变能梯度的自适应无网格—— 有限元耦合方法,对等离子喷涂制备的HA 生物涂层材料的无摩擦接触问题进行分析,对制备的两种不同厚度的生物涂层材料进行求解,分别给出了von Mises 应力分布云图. 结果表明,自适应无网格法能较好地应用于生物涂层接触问题中.     

Multiscale coupling of molecular dynamics and peridynamics

We propose a multiscale computational model to couple molecular dynamics and peridynamics. The multiscale coupling model is based on a previously developed multiscale micromorphic molecular dynamics (MMMD) theory, which has three dynamics equations at three different scales, namely, microscale, mesoscale, and macroscale. In the proposed multiscale coupling approach, we divide the simulation domain into atomistic region and macroscale region. Molecular dynamics is used to simulate atom motions in atomistic region, and peridynamics is used to simulate macroscale material point motions in macroscale region, and both methods are nonlocal particle methods. A transition zone is introduced as a messenger to pass the information between the two regions or scales. We employ the “supercell” developed in the MMMD theory as the transition element, which is named as the adaptive multiscale element due to its ability of passing information from different scales, because the adaptive multiscale element can realize both top-down and bottom-up communications. We introduce the Cauchy–Born rule based stress evaluation into state-based peridynamics formulation to formulate atomistic-enriched constitutive relations. To mitigate the issue of wave reflection on the interface, a filter is constructed by switching on and off the MMMD dynamic equations at different scales. Benchmark tests of one-dimensional (1-D) and two-dimensional (2-D) wave propagations from atomistic region to macro region are presented. The mechanical wave can transit through the interface smoothly without spurious wave deflections, and the filtering process is proven to be efficient.     

Adaptive finite element method for analysis of pollutant dispersion in shallow water

A finite element method for analysis of pollutant dispersion in shallow water is presented. The analysis is divided into two parts ： （ 1 ） computation of the velocity flow field and water surface elevation, and （2） computation of the pollutant concentration field from the dispersion model. The method was combined with an adaptive meshing technique to increase the solution accuracy, as well as to reduce the computational time and computer memory. The finite element formulation and the computer programs were validated by several examples that have known solutions. In addition, the capability of the combined method was demonstrated by analyzing pollutant dispersion in Chao Phraya River near the gulf of Thailand.     

一种算子自定义小波薄板单元及应用

提出了基于提升方案的自适应算子自定义小波有限元法,构造了一种新的算子自定义小波薄板单元。建立二维Hermite型有限元多分辨空间和两尺度关系,并由广义变分原理推导薄板结构关于尺度函数和小波函数的内积关系式,即算子。为满足算子正交性,提出基于提升方案的算子自定义小波单元的构造方法,其优点在于可根据问题的需要来设计具有期望特性的小波基。提出基于两尺度误差的自适应算子自定义小波有限元方法,通过向大于误差阈值的局域添加算子自定义小波,实现薄板结构问题的高效求解。算子自定义小波有限元法节省了重新划分网格或提高插值函数的阶次所带来的大量有限元前处理时间,并且实现薄板问题的高效解耦运算。     

Superposition of non-ordinary state-based peridynamics and finite element method for material failure simulations

Superposition of non-ordinary state-based peridynamics and finite element method for material failure simulations, including crack propagation and strain localization is developed. By this approach, a peridynamic model capable of effectively treating strong and weak discontinuities is superimposed in the critical regions over an underlying finite element mesh placed over the entire problem domain. A rigorous variational framework of coupling local finite element and nonlocal peridynamics approximations that is free of blending parameters is developed. Several numerical examples involving mixed-model fracture, three-dimensional adaptive crack propagation and strain localization induced ductile failure demonstrate the rational and efficiency of the proposed superposition-based coupling approach.

     

Coupling the finite element method and molecular dynamics in the framework of the heterogeneous multiscale method for quasi-static isothermal problems

Multiscale models are designed to handle problems with different length scales and time scales in a suitable and efficient manner. Such problems include inelastic deformation or failure of materials. In particular, hierarchical multiscale methods are computationally powerful as no direct coupling between the scales is given. This paper proposes a hierarchical two-scale setting appropriate for isothermal quasi-static problems: a macroscale treated by continuum mechanics and the finite element method and a microscale modelled by a canonical ensemble of statistical mechanics solved with molecular dynamics. This model will be implemented into the framework of the heterogeneous multiscale method. The focus is laid on an efficient coupling of the macro- and micro-solvers. An iterative solution algorithm presents the macroscopic solver, which invokes for each iteration an atomistic computation. As the microscopic computation is considered to be very time consuming, two optimisation strategies are proposed. Firstly, the macroscopic solver is chosen to reduce the number of required iterations to a minimum. Secondly, the number of time steps used for the time average on the microscale will be increased with each iteration. As a result, the molecular dynamics cell will be allowed to reach its state of thermodynamic equilibrium only in the last macroscopic iteration step. In the preceding iteration steps, the molecular dynamics cell will reach a state close to equilibrium by using considerably fewer microscopic time steps. This adapted number of microsteps will result in an accelerated algorithm (aFE-MD-HMM) obtaining the same accuracy of results at significantly reduced computational cost. Numerical examples demonstrate the performance of the proposed scheme.     

非均质饱和多孔介质弹塑性动力分析的广义耦合扩展多尺度有限元法

针对非均质饱和多孔介质弹塑性动力问题分析提出了一种广义耦合扩展多尺度有限元方法。首先,提出了基于细尺度等效刚度阵的粗尺度单元数值基函数构造方法,并给出了构造数值基函数的一般公式,所构造的耦合数值基函数有效考虑了动力相关效应与固液之间的耦合效应。其次,针对弹塑性非线性问题迭代求解,给出了基于摄动方法的位移与孔隙压强降尺度计算修正方案。最后,针对材料的强非均质特征,利用多节点粗单元技术来提高多尺度有限元方法的计算精度。通过与基于精细网格的传统有限元分析结果对比,验证了本文所提出方法的有效性与高效性。     

Multiscale constitutive modeling and numerical simulation of fabric material

A multiscale model for a fabric material is introduced. The model is based on the assumption that on the macroscale the fabric behaves as a continuum membrane, while on the microscale the properties of the microstructure are accounted for by a constitutive law derived by modeling a pair of overlapping crimped yarns as extensible elasticae. A two-scale finite element method is devised to solve selected boundary-value problems.     

水凝胶多场耦合计算力学

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。     

NEW ALGORITHM OF COUPLING ELEMENT-FREE GALERKIN WITH FINITE ELEMENT METHOD

IntroductionMeshless methods, as a special numerical method, originated from1970s. Since thediffuse element method was proposed by Nayroleset al.[1]in1992, the meshless methodshave received wide attentions in the mechanics area, and have shown obvious adv…