有限元计算细观力学对复合材料力学行为的数值分析

有限元计算细观力学的发展是近十年来细观计算力学发展的主要特征和推动力．本文综述了有限元计算细观力学近十年来应用于复合材料力学行为分析研究方面的进展．介绍了基本的数值模型和计算方法,重点评述了强度和损伤等协同效应问题上的最新研究成果．最后对有限元计算细观力学应用于材料设计的前景做了展望      

THE APPLICATION OF VARIATIONAL MULTISCALE METHOD ON A ONE-DIMENSIONAL MECHANICAL MODEL

将变分多尺度方法应用于一维缆索模型,导出受力缆索的宏观有限元模型并求得细观位移解析解,总结出变分多尺度方法应用于具体模型的关键点和缺陷. 假定刚度为常值,数值模拟一定边界和受力下的缆索,得到宏观和细观位移. 将细观与宏观位移叠加,相比于精确位移得出：细观位移可视为常规有限元模型的后验误差. 变分多尺度方法在一维力学模型中的成功应用,推进了其实用性,为其在更多力学及工程问题中的运用和发展提供了参考.     

具有不同功能梯度分布函数的板件的三维分析

发展了一种新颖的功能梯度结构分析的细观元法。细观元法对结构的常规有限单元内部设置密集细观单元以反映材料特性梯度变化,又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度,再上机计算。这种细观元法既能充分反映材料功能梯度变化特性;而其计算单元又和常规有限元一样,是一种针对功能梯度结构分析的有效数值方法。文中通过细观元技术进行计算、分析,给出了具有不同功能梯度分布函数板件的力学量三维分布形态。     

沿板平面材料梯度变化功能材料板件分析

本文发展一种功能梯度构件分析的细观元法.细观元法在构件的常规有限元内部设置密集观细单元以反映材料特性变化,又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度,再上机计算.这种细观元法既能充分反映材料功能梯度沿各方向任意变化特性;而其计算单元又和常规有限元一样,是一种针对功能梯度结构分析的有效数值方法.现有功能梯度板件分析中无论对不同形状还是不同边界的功能梯度构件,其材料特性均沿板厚度方向梯度变化,本文用细观元法进行计算与分析,给出了目前尚未得到的沿板平面方向功能梯度变化构件的力学量三维分布形态.     

基于降阶均匀化理论的混凝土双尺度力学性能分析

混凝土材料细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为进一步分析混凝土细观特性对宏观力学行为的影响规律,将混凝土材料简化为由骨料、砂浆和界面三相组成,编制了随机凸多面体骨料生成、投放和网格剖分算法,建立可用于有限元计算的满足级配要求的随机细观模型。针对直接使用细观力学模型计算量较大的问题,采用降阶均匀化理论,对混凝土细观胞元模型进行预处理并编制了相应的双尺度计算程序。对不同强度混凝土进行了单轴静态压缩双尺度计算,与实验数据和细观力学模拟结果符合较好。研究表明,降阶均匀化理论在加快求解速度的同时具有较高的精度,可以用于混凝土的多尺度力学性能分析。     

纤维增强复合材料风机叶片宏细观一体化有限元分析An unified FEM for macroscopic and mesoscopic analysis of fiber reinforced composite fan blades

为了建立纤维增强复合材料风机叶片宏观性能和细观组分的直接关联,得到一般有限元分析时无法获得的细观参量值,利用FORTRAN程序把细观力学的失效／损伤分析模块,嵌入到有限元软件ABAQUS中的USD‐FLD 用户子程序中,建立了风机叶片宏细观一体化模型。该模型能够实现基于细观组分级损伤／失效判据的宏细观渐进损伤分析和强度预报功能。该模型计算结果与文献中的试验结果有较好的一致性。     

纤维增强复合材料风机叶片宏细观一体化有限元分析

为了建立纤维增强复合材料风机叶片宏观性能和细观组分的直接关联,得到一般有限元分析时无法获得的细观参量值,利用FORTRAN程序把细观力学的失效/损伤分析模块,嵌入到有限元软件ABAQUS中的USDFLD用户子程序中,建立了风机叶片宏细观一体化模型。该模型能够实现基于细观组分级损伤/失效判据的宏细观渐进损伤分析和强度预报功能。该模型计算结果与文献中的试验结果有较好的一致性。     

中国力学学会2004年国际、国内学术活动计划

序号 会议名称第六届全国细观力学学术会议 学术内容及议题交流近两年来在细观力学领域取得的新成果,促进各方面对细观力学的了解和重视,进一步推动细观力学的发展第六届全国实验流体力学会议流体力学与空气动力学实验技术研究;流体力学与空气动力学各学科课题实验研究4月18、23日801太原全国非线性有限元学习班邀请美国西北大学Ted Belytsehko教授讲学,内容:连续体和结构的非线性有限元等6月15、17日待定!北京复合材料力学研讨会复合材料力学行为的表征、测试;复合材料细观力学;复合材料结构力学;复合材料应用中的力学问题6月301大连350一…     

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。     

颗粒增强复合材料有效性能的三维数值分析

将细观力学和计算力学方法相结合用以确定复合材料中的局部和平均应力－应变场．对旋转体和非旋转体颗粒增强复合材料的有效模量进行了三维有限元数值计算，数值与实验结果对比表明，该方法是有效的、可靠的．分析了颗粒的排列分布、颗粒取向和颗粒的几何形状对有效模量的影响．数值结果表明，颗粒的排列对有效轴向弹性模量影响较大．颗粒的取向和颗粒的形状对有效性能的影响也是显著的     

确定复合材料宏观屈服准则的细观力学方法

运用细观力学中的均匀化方法，分析了含周期性微结构复合材料的宏观屈服准则，并对Hill-Tsai准则进行了修正。从基于复合材料细观结构的代表性胞元入手，运用塑性极限理论中的机动分析以及有限元方法，计算了细观结构的极限载荷域。通过宏细观尺度对应关系，得到复合材料的宏观屈服准则。     

改进的二维高精度通用单胞模型

基于复合材料细观力学周期性假设,利用高阶理论的改进算法,对高精度通用单胞模型的计算方法进行了改进．模型中用界面的平均量代替细观位移函数中解系数,并利用细观单元力学方程的分析与求解,建立了细观平均量与复合材料宏观平均量间的联系．改进高精度通用单胞模型的求解方程数目减少了大约60％,求解时间大大缩短;并且消除了亚子胞的概念,同时解耦了横向与纵向的方程．该模型的计算结果与试验结果及理论计算结果具有较好的一致性．     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

基于Gurson损伤力学模型的糜棱岩成因有限元分析

应用孔洞损伤的Gurson模型,建立糜棱岩原岩细观孔洞损伤体胞单元,提出糜棱岩成因的损伤力学观点,统一解释糜棱岩成因研究中一些独特的地质现象.对一种具体原岩———花岗岩的细观孔洞损伤体胞单元作了有限元计算分析,并根据计算结果讨论了各种应力对糜棱化过程的影响.     

HT-7U超导托卡马克装置极向场线圈的等效弹性常数及其残余刚度

HT－7装置的超导极向场线圈由导管，超导材料和绝缘体组合而成，具有复杂的正交各向异性的性质。本文从微观力学的观点出发，将极向场线圈整体作为一种复合材料来考虑，采用微观力学的复合律和损伤力学的细观损伤模型，求出了极向场线圈的等效弹性常数和残余刚度；并且，残余刚度的计算结果已得到了实验验证。这些材料特性已被用于有限元分析的输入数据。     

PREDICTIONS OF EFFECTIVE OUT-PLANE SHEAR MODULUS AND SIZE EFFECT OF HEXAGONAL HONEYCOMB

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G₁₃相对于材料体分比ν、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G-A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性. 结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果. 此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.     

基于数字图像的土、岩和混凝土内部结构定量分析和力学数值计算的研究进展

土、岩及混凝土是一种内部结构极其复杂的材料,内部细观组成和结构决定了它们在外力作用下内部应力和应变等物理场的分布状态,在很大程度上控制了它们的宏观力学响应和破坏机理和过程。自1995年以来,数字图像处理技术作为一种材料细观空间结构及几何形态的精确量测和数字表述手段快速地被应用于沥青混凝土、水泥混凝土、土和岩体材料细观结构定量分析中来。本文在研究相关文献的基础上,分析和研究了数字图像技术在土、岩及混凝土内部结构定量分析和力学数值计算中的发展过程和研究成果,内容包括:单个骨料颗粒形态特征定量分析;土、岩和混凝土内部结构定量分析;岩体结构定量分析中的应用;基于数字图像处理的土、岩和混凝土细观结构力学计算。在此基础上,本文进一步对数字图像技术在岩土领域中的应用进展及未来的发展趋势进行了探讨,认为数字图像作为一种空间分布测量手段和数字表述方法使得它具有巨大的潜力,特别是在岩土领域的纵深发展过程中,它可能实现考虑细微观结构性的岩土力学和工程分析和预测的、新的方法和理论。     

多孔材料塑性极限载荷及其破坏模式分析

运用塑性力学中的机动极限分析理论，研究韧性基体多孔材料的塑性极限承载能力和破坏模式。以多孔材料的细观结构为研究对象，将细观力学中的均匀化理论引入到塑性极限分析中，并结合有限元技术，建立细观结构极限载荷的一般计算格式，并提出相应的求解算法。数值算例表明：细观孔洞对材料的宏观强度影响明显；在单向拉伸作用下，孔洞呈现膨胀扩大规律；多孔材料破坏源于基体塑性区的贯通。     

随机晶界分布对铝多晶材料晶间破坏行为的影响

采用二维随机有限元方法研究了准静态拉伸载荷下细观随机不均匀的粗晶粒铝多晶试件晶间破坏的力学行为．探讨了随机晶界的数量和分布对材料断裂性能的影响。     

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下，不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展，且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律，通过细观力学方法，对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化，探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型，将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中，对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据，对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．