考虑内部胞元能量等效的代表体元法

具有周期性胞元的超轻质材料在制造和应用过程中,不可避免地会出现基体材料、微结构拓扑和尺寸的随机性变化.此时,评价材料的等效弹性性能需要借助基于均匀化方法(周期性边界条件)或代表体元法(周期性边界条件,均匀应力或均匀应变边界条件等)的蒙特卡洛模拟.该文首先通过算例分析和比较了不同边界条件下的数值结果,讨论了结果的尺度效应和对胞元选取的依赖性.为了提高和改善Dirichlet边界条件下的计算效率和结果,提出了一种考虑内部胞元能量等效的代表体元法.该方法能够有效削弱边界条件和胞元选取的影响,从而实现了采用较小的代表体元得到更好的结果.数值算例验证了方法在预测确定性材料和随机性材料等效模量时的有效性.     

基于渐进均匀化的平纹编织复合材料低速冲击多尺度方法

针对平纹编织复合材料低速冲击响应和损伤问题,提出了一种多尺度分析方法. 首先, 建立微观尺度单胞模型,引入周期性边界条件,采用最大主应力失效准则和直接刚度退化模型表征纤维丝和基体的损伤起始与演化,预测了纤维束的弹性性能和强度性能. 其次,将这些性能参数代入介观尺度单胞模型,基于Hashin和Hou的混合失效准则以及连续介质损伤模型对介观尺度单胞进行6种边界条件下的渐进损伤模拟.然后采用渐进均匀化方法,以介观尺度单胞为媒介预测了0$^\circ$和90$^\circ$子胞的性能参数,并建立平纹编织复合材料的子胞模型,进而扩展成为材料的宏观尺度低速冲击模型. 在此基础上,研究了平纹编织复合材料低速冲击下的力学响应与损伤特征.结果表明:宏观冲击仿真和试验吻合较好, 验证了多尺度方法的正确性;最大接触力、材料吸能和分层面积均随冲击能量的增大而增大,分层损伤轮廓逐渐从椭圆形向圆形转化;基体拉伸和压缩损伤的长轴方向分别与子胞材料主方向正交和一致,损伤面积前者远大于后者.      

周期性点阵类桁架材料等效弹性性能预测及尺度效应

比较了Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法及均匀化方法对具有周期性结构的点阵类桁架材料等效弹性性能的预测结果．数值结果表明,Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法所得结果随着参与模拟的单胞（微结构的最小周期）个数的增加,分别从上下界逼近均匀化方法的结果．对于一类具有特殊微结构的桁架材料,只需一个单胞即可充分逼近均匀化结果．指出产牛尺度效应的判据是,对Dirichlet型边界条件下的代表体元法,单胞公共边界处的节点支反力是否平衡;对Neumann型边界条件下的代表体元法,单胞边界间变形是否协调．最后,我们证明了对于一类均匀化方法求解中没有广义自由度的桁架材料,其均匀化结果就是各构件性能按照体积份数加权平均得到．     

三维编织复合材料几何建模及数值分析

论文根据三维编织复合材料的结构特点,把整体结构分为内部单胞、表面单胞和角单胞三种类型的子单胞,考虑空间纤维束的相互扭结和挤压所造成的纤维束的弯曲和截面变形,针对每种类型的子单胞,建立了相应的几何分析模型.引入周期性位移边界条件,建立了材料的弹性性能预报模型,得到了三维编织复合材料的工程弹性常数.通过数值比较可以看出,论文所给出的数值计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了本文模型的有效性.     

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法. 首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材 料的热弹性相关参数. 然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补 充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准. 本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研 究,验证所提出方法的有效性和准确性. 对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够 准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.      

三维机织复合材料细观几何建模研究

论文提出一种简化的纱线变形方法建立三维机织复合材料细观几何模型，考虑了纱线截面形状、纱线截面扭转、纱线弯曲系数等模型参数，建立了模型参数可灵活调整的建模方法.采用该方法分析了纱线的层数、模型尺寸、纱线的弯曲系数对材料性能的影响.结果表明，当纱线层数较小时，表层的边界效应对材料性能影响较大，厚度方向不建议采用周期性边界条件；在自由边界条件下，模型长度约为2倍单胞、宽度约为1.5倍单胞尺寸时，可以实现刚度测试误差范围控制在2%以内.此外，纱线弯曲系数对复合材料单胞刚度计算结果有较大影响，适当的纱线弯曲系数能够使刚度计算误差控制在7%以内.     

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法.首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材料的热弹性相关参数.然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准.本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研究,验证所提出方法的有效性和准确性.对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.     

复合材料周期结构数学均匀化方法的一种新型单胞边界条件

数学均匀化方法是计算周期复合材料结构的有效方法之一,单胞边界条件施加的合理性直接决定了影响函数控制方程的计算效率和精度,进而影响均匀化弹性参数和摄动位移的计算精度.本文首先将单胞影响函数作为虚拟位移处理,给出了单胞在结构中真实的边界条件,结果表明,四边固支适合作为二维结构单胞边界条件;其次,针对二维结构提出了超单胞周期边界条件,有效提高了影响函数的计算精度,并使用与虚拟位移相对应的虚拟势能泛函验证超单胞周期边界条件的有效性;最后,利用数值分析验证多尺度渐进展开方法的计算精度,强调了二阶摄动的必要性.     

周期性点阵桁架材料力学性能分析的一种新的多尺度计算方法

论文提出一种周期性点阵桁架材料力学性能分析的新的多尺度方法.方法的主要思想是通过数值构造能反映周期性桁架材料单胞内部非均质性的多尺度基函数,从而在大尺度上求得单胞的等效刚度阵,大大减小了模型计算量.通过引入基函数的耦合附加项,以考虑多维矢量场问题不同方向问的耦合作用.数值研究表明,采用线性边界条件构造基函数有时会产生较...     

树脂基三维编织复合材料粘弹性性能的有限元分析

根据材料的细观结构,采用APDL语言分别建立了纤维束和三维编织复合材料两级单胞的参数化几何模型;推导了Prony级数表示的树脂粘弹性本构方程,对模型进行了组分材料参数设置;对纤维束单胞模型进行扫掠式网格划分,对三维编织复合材料单胞模型进行线-面-体式网格划分;对两级单胞模型均施加合理的边界条件,使单胞边界上的位移满足周期性和连续性。以有限元模型为基础,计算了三维编织复合材料的粘弹性能,并给出了材料粘弹性效应随工艺参数变化的规律。计算结果表明:三维编织复合材料编织方向的粘弹性效应随编织角的增大而增强,随纤维体积比的增大而减弱。该结果与已有实验结论一致。     

On the uniaxial compression behavior of regular shaped cellular metals

The numerical simulation of random cellular metals is still connected to many unsolved problems due to their stochastic structure. Therefore, a periodic model of a cellular metal is developed for fundamental studies of the mechanical behavior and is numerically investigated under uniaxial compression. The influence of differing hardening behaviors and differing boundary conditions on the characteristics of the material is investigated. Recommendations for the numerical simulation are derived. In contrast to common models, experimental samples of the same geometry are easy to manufacture and the results of the experiments show good agreement with the finite element calculations. Based on the proposed concept of a unit cell with periodic boundary conditions, it is possible to derive constitutive equations of cellular materials under complex loading conditions.     

MODELLING AND CALCULATION OF THE TURBULENT BOUNDARY LAYER ON A ROTATING CYLINDER SURFACE WITH STRONG SUCTION 1)

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法, 用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动. 首先, 理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动, 外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件. 强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动, 基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式. 其次, 通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型, 使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素. 针对这些因素的综合影响, 采用解析修正和经验参数对模型进行调整. 同时, 基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果, 校准代数湍流模型中的经验参数. 最后, 给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法, 该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况. 计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动, 其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近. 并且表明, 当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时, 该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.     

强吸气旋转圆筒壁面湍流边界层建模及计算

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法, 用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动. 首先, 理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动, 外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件. 强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动, 基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式. 其次, 通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型, 使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素. 针对这些因素的综合影响, 采用解析修正和经验参数对模型进行调整. 同时, 基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果, 校准代数湍流模型中的经验参数. 最后, 给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法, 该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况. 计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动, 其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近. 并且表明, 当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时, 该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.      

周期性蜂窝材料微极等效模型及其微观应力的一种快速算法

将周期性蜂窝材料等效为具有非局部本构的微极连续介质,以解释实验中出现的尺度效应和边界层效应.在评论相关的多种不同方法(能量法、体积平均的均匀化法等)之后,提出了一种基于位移连续和单胞力平衡的推导微极等效本构参数的新方法.以正方形单胞制成的结构为例,在不同的结构与单胞尺寸比下,考虑承受集中点载荷、均布轴力和均布剪力三种载荷工况,比较了离散完全计算、经典连续介质等效和不同微极连续体等效本构的计算结果,建议了较好的微极本构参数值.数值模拟表明,集中点载荷和剪切载荷作用时,在加载点附近和边界部分,微极等效可以显著提高计算精度.最后,给出了一种映射算法,可以根据微极等效连续体分析的结果,快速计算出对应微观单胞构件的应力,以开有圆孔的方板应力集中为例,验证并考察了所提快速算法的有效性和计算精度.     

基于迭代法的非线性弹性均质化研究

微观结构对复合材料的宏观力学性能具有至关重要的影响, 通过合理设计复合材料微观结构可以得到期望的宏观性能. 均质化方法作为一种有效的设计方法, 它从微观结构的角度出发, 利用均匀化的概念, 实现了对复合材料宏观力学性能的预测和设计. 而当考虑非线性因素, 均质化的实现就非常困难. 本文利用双渐近展开方法, 将位移按照宏观位移和微观位移展开, 推导了非线性弹性均质化方程. 通过直接迭代法, 对非线性弹性均质化方程进行了求解, 并给出了具体的迭代方法和实现步骤. 本文基于迭代步骤和非线性弹性均质化方程编写MATLAB 程序, 对3种典型本构关系的周期性多孔材料平面问题进行了计算, 对比细致模型的应变能、最大位移和等效泊松比, 对程序及迭代方法的准确性进行了验证. 之后对一种三元橡胶基复合材料进行多尺度均质化, 将其分为芯丝尺度和层间尺度. 用线弹性的均质化方法得到了芯丝尺度的等效弹性参数, 并将其作为层间尺度的材料参数. 在层间尺度应用非线性弹性均质化方法对结构进行计算, 得到材料的宏观等效性能, 并以实验结果为基准进行评价.      

A homogenization theory of strain gradient single crystal plasticity and its finite element discretization

In this study, a homogenization theory based on the Gurtin strain gradient formulation and its finite element discretization are developed for investigating the size effects on macroscopic responses of periodic materials. To derive the homogenization equations consisting of the relation of macroscopic stress, the weak form of stress balance, and the weak form of microforce balance, the Y-periodicity is used as additional, as well as standard, boundary conditions at the boundary of a unit cell. Then, by applying a tangent modulus method, a set of finite element equations is obtained from the homogenization equations. The computational stability and efficiency of this finite element discretization are verified by analyzing a model composite. Furthermore, a model polycrystal is analyzed for investigating the grain size dependence of polycrystal plasticity. In this analysis, the micro-clamped, micro-free, and defect-free conditions are considered as the additional boundary conditions at grain boundaries, and their effects are discussed.     

基于渐近均匀化方法的准周期梁结构等效刚度数值实现方法研究

相比周期梁结构,准周期梁结构沿轴向梯度变化,具有更大的设计自由度,能够获得更好的结构性能。由于其非均质性,一般将其均匀化为具有等效性质的均质梁结构,但现有工作很少涉及准周期梁结构等效性质的计算。本文针对由周期梁结构映射而成的准周期梁结构,通过引入雅可比矩阵,基于渐近均匀化方法推导的单胞方程及其等效性质计算列式,并建立了其单胞方程及等效刚度的有限元求解列式。该方法可以处理沿轴向变形的任意微单胞构型,数值算例验证了其正确性和有效性。     

Limit states for brick masonry based on homogenization approach

In this paper, a procedure is developed for assessing the strength of brick masonry based on homogenization theory. The approach invokes a lower bound analysis whereby plastically admissible stress fields are constructed in the constituents involved, subject to periodic boundary conditions and static equilibrium requirements. The critical load is obtained by solving a constrained optimization problem. The analysis employs a set of specific loading histories such as axial tension, pure shear and biaxial tension–compression at different orientations of bed joints. The performance of this approach is verified against numerical solutions based on finite element analysis. In the second part of this paper, a methodology is outlined for identification of a macroscopic failure criterion that incorporates a critical plane approach. A quantitative verification of this criterion is carried out for different loading conditions and the results are compared with the experimental data available in the literature.     

非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进

非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义. 计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素. 首先从理论上分析了黏性通量离散中的“奇偶失联”问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了“奇偶失联”导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了“奇偶失联”并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.