三维Cosserat连续体模型与微结构尺寸相关效应的有限元分析

分析了三维Cosserat连续体理论中的应力应变特征,推导了三维Cosserat连续体的有限元方程,基于ABAQUS计算软件提供的用户单元子程序(UEL)接口编写了弹性Cosserat连续体三维20节点有限元程序,并分析了微悬臂梁自由端的挠度问题和微杆扭转问题。通过与基于经典连续体理论的解析解及有限元数值计算结果进行比较,表明所发展的三维Cosserat连续体有限元能有效地模拟微结构尺寸相关效应问题,即随着微结构尺寸与材料内部长度参数的接近,基于Cosserat连续体有限元分析得到的微梁的挠度以及微杆的转角与经典连续体的解析解及有限元解相比越来越小;反之,Cosserat连续体有限元的计算结果与经典连续体的解析解及有限元数值解较为一致。     

基于Cosserat理论的小孔应力集中问题的有限元分析

近来由于细观力学的发展和对材料尺度效应的研究使得Cosserat理论受到了关注.本文给出了基于Cosserat理论的有限元八节点等参元格式,数值计算了单向均匀拉伸小孔应力集中问题,研究了Cosserat理论中有关参数对应力集中因子和尺度效应的影响.计算结果与理论解十分吻合.这表明,基于Cosserat理论的平面八节点等参元适用于求解基于Cosserat理论的平面问题.     

A Bridging Scale Method for Multi-scale Analysis of Granular Materials

本文提出了耦合细尺度上基于离散颗粒集合体模型的离散单元法（DEM）和粗尺度上基于Cosserat连续体模型的有限元法（FEM）的连接尺度方法（BSM）以研究颗粒材料的力学行为。采用Cosserat连续体模型和FEM模拟的粗尺度域覆盖全域,而采用离散颗粒集合体模型的DEM模拟的细尺度域仅限于需特别关注材料微结构演变和非连续变形行为的局部区域。对这两个区域间的界面提出了适当的界面条件及其实施方案。通过采用适当的连接尺度投影算子,空间离散的粗、细尺度耦合系统多尺度运动方程具有解耦和允许分别求解、因而也允许分别采用不同时间步长对粗、细尺度计算的特点,可极大地提高BSM的计算效率。文中二维地基数值算例结果说明了所陈述方法的可应用性,以及相对基于Cosserat连续体模型的FEM和基于离散颗粒集合体模型的DEM的优越性。     

颗粒材料多尺度分析的连接尺度方法

本文提出了耦合细尺度上基于离散颗粒集合体模型的离散单元法（DEM）和粗尺度上基于Cosserat连续体模型的有限元法（FEM）的连接尺度方法（BSM）以研究颗粒材料的力学行为。采用Cosserat连续体模型和FEM模拟的粗尺度域覆盖全域,而采用离散颗粒集合体模型的DEM模拟的细尺度域仅限于需特别关注材料微结构演变和非连续变形行为的局部区域。对这两个区域间的界面提出了适当的界面条件及其实施方案。通过采用适当的连接尺度投影算子,空间离散的粗、细尺度耦合系统多尺度运动方程具有解耦和允许分别求解、因而也允许分别采用不同时间步长对粗、细尺度计算的特点,可极大地提高BSM的计算效率。文中二维地基数值算例结果说明了所陈述方法的可应用性,以及相对基于Cosserat连续体模型的FEM和基于离散颗粒集合体模型的DEM的优越性。      

基于细观方向平均模型的颗粒材料宏观Cosserat连续体本构关系

提出了基于细观微-方向模型（Micro—Directional Model）的宏观Cosserat连续体本构关系。在细观尺度上考虑颗粒旋转自由度及接触力矩,微结构的影响通过接触分布函数体现。给出均质各向同性Cosserat连续体模型弹性常数的细观参数表达式,并建议了二维情况下内尺度参数的细观力学表达式。对颗粒材料宏观行...     

离散颗粒集合体-Cosserat连续体模型的连接尺度方法

基于针对分子动力学-Cauchy连续体模型提出的连接尺度方法(BSM)[1,2],发展了耦合细尺度上基于离散颗粒集合体模型的离散单元法(DEM)和粗尺度上基于Cosserat连续体模型的有限元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM以从细观层次模拟非连续破坏现象,而在全域则采用花费计算时间和存储空间较少的FEM。通过连接尺度位移(包括平移和转动)分解,和基于作用于Cosserat连续体有限元节点和颗粒集合体颗粒形心的离散系统虚功原理,得到了具有解耦特征的粗细尺度耦合系统运动方程。讨论和提出了在准静态载荷条件下粗细尺度域的界面条件,以及动态载荷条件下可以有效消除粗细尺度域界面上虚假反射波的非反射界面条件(NRBC)。本文二维数值算例结果说明了所提出的颗粒材料BSM的可应用性和优越性,及所实施界面条件对模拟颗粒材料动力学响应的有效性。     

修正的偶应力线弹性理论及广义线弹性体的有限元方法

以含偶应力的弹性理论为基础,考虑小变形情况下变形体的平动变形和旋转变形,提出关于偶应力与曲率张量的线性本构关系,建立一般弹性体的线性模型。为满足有限单元C1连续性要求,考虑转角为独立变量,利用罚方法引入约束条件,构造一般弹性体的约束变分形式。应用8节点48个自由度的实体等参元,建立一般弹性体力学响应分析的有限元方程。对悬臂梁的静力和动力分析表明,一般弹性体模型较之经典弹性力学更适合结构分析;较之Timoshenko梁模型,一般弹性体模型能够计及结构尺度对结构动力特性和动力响应造成的显著影响。     

梯度增强Cosserat连续体的广义Hill定理

基于经典Cauchy连续体的Hill定理,在平均场理论的框架下导出了梯度增强Cosserat连续体细、宏观均匀化方法的广义Hill定理。在梯度增强Cosserat连续体中,不仅宏观样条点上的应变和应力张量,而且它们的梯度均作用于与该样条点相关联的细观表征元（RVE）。依据此广义Hill定理,对梯度增强Cosserat连...     

基于Cosserat理论的广义协调元法

首次将广义协调元理论与Cosserat理论相结合,构造了一个基于Cosserat理论的平面四节点广义协调等参元。依据常应力与线性应力下的广义协调条件,推导了广义协调位移,进而得到有限元列式。利用广义协调元,一方面克服了协调元过于刚硬的缺点,另一方面消除了非协调元不一定收敛的弱点。分析了带有圆孔的应力集中问题,可以看出,...     

基于8节点平面单元的RC梁柱节点单元

为了分析RC框架结构的非线性滞回性能,基于平面8节点单元,本文提出了一个新的针对受循环荷载作用钢筋混凝土的梁柱节点单元．单元中梁与节点交界面和柱与节点交界面被划分成“节点截面”和“梁柱截面”,节点核心区的力学性能由8节点单元描述,而梁柱受力钢筋与节点核心区的粘结滑移由存在于“节点截面”和“梁柱截面”之间的8根弹簧控制,梁柱与节点之间的剪切由4根剪切弹簧表示．单元具有4个外节点和8个内节点,每个内节点具有2个自由度,每个外节点具有3个自由度,该3个自由度与普通梁单元一致,从而确保本单元能够同普通一维梁柱单元一起进行钢筋混凝土结构平面非线性分析．通过将内节点上的自由度依附到外节点上,单元在数值表现上具有4个节点和28个自由度．通过对比试验和模拟分析结果,验证了本模型适合于循环荷载作用下平面框架结构的非线性响应分析．     

Quadrilateral isoparametric finite elements for plane elastic Cosserat bodies＊

4-node, 8-node and 8(4)-node quadrilateral plane isoparametric elements are used for the solution of boundary value problems in linear isotropic Cosserat elasticity. The patch test is applied to validate the finite elements. Engineering problems of stress concentration around a circular hole in plane strain condition and mechanical behaviors of heterogeneous materials with rigid inclusions and pores are computed to test the accuracy and capability of these three types of finite elements.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10225212, 50178016, 10421002) and the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University of China The English text was polished by Keren Wang.     

PARAMETRIC VARIATIONAL PRINCIPLE BASED ELASTIC-PLASTIC ANALYSIS OF COSSERAT CONTINUUM

A new algorithm is developed based on the parametric variational principle for elastic-plastic analysis of Cosserat continuum. The governing equations of the classic elastic-plastic problem are regularized by adding rotational degrees of freedom to the conventional translational degrees of freedom in conventional continuum mechanics. The parametric potential energy principle of the Cosserat theory is developed, from which the finite element formulation of the Cosserat theory and the corresponding parametric quadratic programming model are constructed. Strain localization problems are computed and the mesh independent results are obtained.     

基于参数变分原理的Cosserat连续体弹塑性分析

基于参数变分原理,提出了Cosserat模型弹塑性计算的算法,给出了基于Cosserat理论的参数最小势能原理,基于所提出的变分方程,建立了Cosserat理论弹塑性分析的参数二次规划模型,进一步将算法应用于平面应变软化问题计算中,获得的结果具有良好的非网格依赖性.     

Cosserat连续体模型中本构参数对应变局部化模拟结果影响的数值分析

基于所发展的压力相关弹塑性Cosserat连续体模型及相应的数值方法,以一维剪切层及二维平板压缩问题为例,数值分析了Cosserat连续体模型中的本构参数Cosserat剪模、软化模量及内部长度参数对应变局部化数值模拟结果的影响.结果表明在一定取值范围内,Cosserat剪模对数值模拟结果几乎没有影响,并给出了具体数值计算时的取值范围;软化模量绝对值越大,后破坏段的荷载-位移曲线越陡,计算得到的剪切带宽度越窄;内部长度参数越大,后破坏段的荷载-位移曲线越平缓,计算得到的剪切带越宽.     

Finite elements based on a first-order shear deformation moderate rotation shell theory with applications to the analysis of composite structures

The first-order shear deformation moderate rotation shell theory of Schmidt and Reddy [R. Schmidt and J. N. Reddy, J. Appl. Mech. 55, 611–617 (1988)] is used as a basis for the development of finite element models for the analysis of the static, geometrically non-linear response of anisotropic and laminated structures. The incremental, total Lagrangian formulation of the theory is developed, and numerical solutions are obtained by using the isoparametric Lagrangian 9-node and Serendipity 8-node shell finite elements. Various integration schemes (full, selective reduced, and uniformly reduced integration) are applied in order to detect and to overcome the effects of shear and membrane locking on the predicted structural response. A number of sample problems of isotropic, orthotropic, and multi-layered structures are presented to show the accuracy of the present theory. The von Kármán-type first-order shear deformation shell theory and continuum 2D theory are used for comparative analyses.     

Computational multiscale methods for granular materials

The fine-scale heterogeneity of granular material is characterized by its polydisperse microstructure with randomness and no periodicity. To predict the mechanical response of the material as the microstructure evolves, it is demonstrated to develop computational multiscale methods using discrete particle assembly-Cosserat continuum modeling in micro- and macro- scales, respectively. The computational homogenization method and the bridge scale method along the concurrent scale linking approach are briefly introduced. Based on the weak form of the Hu-Washizu variational principle, the mixed finite element procedure of gradient Cosserat continuum in the frame of the second-order homogenization scheme is developed. The meso-mechanically informed anisotropic damage of effective Cosserat continuum is characterized and identified and the microscopic mechanisms of macroscopic damage phenomenon are revealed.     

Transversely isotropic material: nonlinear Cosserat versus classical approach

We consider a specific case of unidirectional reinforced material under applied tensile load. The reinforcement of the material is inclined with 45° to the direction of the tensile resultant. Different approaches are discussed: one experiment and three computational models. Two models use the classical Cauchy continuum theory whereas the third computational model is based on a Cosserat continuum. It is well known that test specimen with inclination between unidirectional reinforcement and tensile direction show, besides Poissons effect, additional deformation perpendicular to the load direction. The classical transversely isotropic continuum theory predicts this deformation as typical S-shape. In the Cosserat continuum the orientation of the inner structure is incorporated. Thus, structural parameters influence the deformation. With the proposed geometrically non-linear Cosserat model classical and non-classical behaviour can be modelled. In the non-classical case, the transverse deformation is not described by one S-shape but by multiple S-shaped modes. The additional rotational parameters in the Cosserat continuum are responsible for the non-classical behaviour which is due to non-symmetric strain.     

基于应变梯度有限元的单层石墨烯振动研究

建立了单层石墨烯等效非局部薄板的一种新的有限元模型,并运用有限元法分析不同边界条件下单层石墨烯振动的小尺度效应。给出了基于弹性应变梯度理论下Kirchhoff板的振动方程。发展了一种4节点24自由度的板单元,用于离散化求解考虑微纳结构尺度效应的高阶微分方程。在研究四边简支板振动时,考虑应变梯度的非局部弹性有限元数值计算结果与理论分析结果相一致。用有限元方法研究了不同尺寸、振动波长、振动模态阶数、边界条件类型以及非局部参数的单层石墨烯振动。