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.指出产生尺度效应的判据是,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.     

多尺度材料模拟的自适应有限元方法研究

研究了材料模拟中一类新型耦合多尺度的自适应有限元方法. 采用微观分子动力学耦合宏观有限元的桥尺度方法来模拟材料破坏的前期行为,其中宏观有限元计算推广到了一般非结构三角形网格. 材料破坏形成后,停止微观尺度的计算,它的进一步发展和演化通过一个宏观模型来描述,采用自适应有限元方法来求解这一宏观模型. 其中,后验误差估计的基础是变分多尺度理论,即自适应网格加密是基于粗尺度上残差分布和细尺度上单元Green's函数. 计算中采用了破坏准则来模拟材料的断裂. 数值实验表明了方法的有效性.      

多尺度复合材料力学研究进展

多尺度复合材料力学是运用多尺度分析思想研究空间分布非均匀材料力学性能的学科.近年来,多组分、多层级先进材料的蓬勃发展和微纳米实验观测手段的不断进步,有力地推动了该学科的研究.论文围绕非均匀材料力学性能的多尺度分析,首先从微纳米尺度到宏观尺度综述了常用的理论分析方法;接着分别针对非均匀连续介质和离散体系介绍了常用的多尺度计算模拟方法;然后结合本课题组在纳米复合材料、抗冲击吸能材料、随机网络材料和多层级自相似材料等方面的研究工作,举例说明了如何综合运用多种方法对各种复杂材料系统进行多尺度分析;最后,展望了该领域还需进一步发展和完善的若干方向.     

微纳米尺度下材料性能多尺度模拟方法进展

微纳米材料的力学行为正日益引起研究者的关注.微纳米材料的性能取决于从微观、细观到宏观多个空间、时间尺度上不同物理过程非线性耦合演化的结果,发展相应的多尺度数值模拟方法已成为该领域研究工作的一个热点.本文对微纳米材料模拟中比较典型的几种协同多空间尺度和协同多时间尺度方法进行了介绍,着重介绍这些方法的的基本思想、应用情况, 以及各自的优缺点,并对微纳米材料多尺度方法的发展趋势进行总结和评述.      

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.      

计算材料科学中桥域多尺度方法的若干进展

材料科学中存在固有的多尺度特性,桥域多尺度方法是在宏观尺度(如连续介质力学)中引入不同的细微观尺度的计算区域,乃至纳米尺度的分子动力学、量子力学计算区域,将不同尺度的研究方法通过一定的数学模型耦合在一起。该方法既能节约计算成本,又能保证所研究问题的物理特性。本文对多尺度方法的基本概念、跨尺度桥域多尺度方法的发展、基本原理、耦合方法和离散方程进行了讨论,给出了几个应用算例,并在最后进行了总结,展望了今后的可能发展方向。     

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.     

多尺度模拟与计算研究进展

简要介绍了多尺问题与研究方法.重点论述了两类常见多尺度问题的模拟计算方法与研究进展,分析了各自的优缺点和使用范围.对现有研究的局限性和存在的问题进行分析,指出了进一步研究多尺度模拟与计算的必要性.介绍了求解含有孤立缺陷问题的非局部准连续体法,MAAD等方法以及求解基于微观模型本构模拟问题的局部连续体法、HMM等方法.文章对多尺度模拟与计算的前景进行展望,提出了一些亟待解决的问题.     

周期性结构热动力时间-空间多尺度分析

研究一种时间-空间多尺度渐近均匀化分析方法，模拟不同的极端热和动力载荷下微尺度多 相周期性结构中热动力响应问题，并建立一个广义的波动函数场控制方程描述热动力响应. 通过引入一个放大空间尺度和两个缩小时间尺度，在不同时间尺度上获得由空间非均匀性引 起的波动效应和非局部效应. 根据高阶均匀化理论在空间和时间上进行均匀化，获得高阶非 局部函数场波动方程. 并进一步用C0连续修正了高阶非局部函数场波动方程的有限元近 似解，使问题的求解避免了对有限元离散的C1连续性要求. 并与经典的空间均匀化方法 相比较，指出了经典的空间均匀化方法的局限性，进一步以一维非傅立叶热传导和热动力问 题为例，讨论了各种情况下方法的正确性与有效性.     

微/纳尺度接触问题计算方法研究进展

接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,近来随着微/纳米技术的不断发展,接触力学在基础理论和研究方法上面临许多新的挑战.本文在摩擦学的范畴内,对近年发展的若干求解微/纳尺度接触问题的计算方法及理论进行了综述.按发展先后及所解决问题的尺度范围划分,主要有3类评估微/纳尺度接触性能的计算方法:(1)连续介质力学方法;(2)分子动力学模拟; (3)多尺度方法.介绍了这3类计算方法的典型理论和主要数学描述,给出了这些方法对解决若干微/纳观接触问题如黏着效应、粗糙表面描述、表面摩擦及润滑、表面热效应、生物接触等的主要应用.最后, 探讨了微/纳尺度接触问题计算方法可能的发展方向及应用领域.      

基于拓展多尺度有限元的点阵材料结构最小柔顺性设计

论文应用拓展的多尺度有限元法(Extended Multiscale Finite Element Method),以微观构件的截面积为设计变量,研究了体积约束下点阵材料构成结构的最小柔顺性设计问题.建立了适应具有复杂几何形状和载荷边界的点阵材料结构的优化模型,应用序列二次规划算法对悬臂梁和L形梁算例在线性边界条件和周期性边界条件下进行了优化设计,讨论了点阵材料微结构尺寸效应对优化结果的影响,验证了优化模型和求解算法的可靠性,为点阵材料应用于复杂实际工程结构的优化设计提供了新的技术手段.     

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。     

利用有限元构造Michell桁架的一种方法

提出了一种新的形成Michell桁架的有限元分析方法.该方法以纤维增强正交各向异性复合板为材料模型,根据有限元分析结果调整各单元的纤维密度和方向.采用所提出的一种迭代格式,经过少量迭代,形成满足Michell准则的应变、内力场.该方法适于不同几何形状、支撑条件及荷载情况.算例结果表明该方法是有效的.     

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.     

增材制造三维微点阵材料力学性能表征与细观优化设计研究进展

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料,兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能,是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展,为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件,二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理,进一步开展材料多尺度优化设计,拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用,对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征,分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究,展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.     

微/纳尺度粘着滑动接触的多尺度分析

采用分子动力学与有限元耦合的多尺度方法,求解二维刚性圆柱表面压头与弹性平面的微/纳尺度粘着滑动接触问题,通过与全分子动力学模拟结果的比较验证了多尺度方法的有效性。对压头半径、滑动速度、下压深度以及是否考虑粘着效应等对滑动接触性能的影响进行了全面研究,通过不同条件下摩擦力及接触力分布的比较,揭示了上述各参数对粘着滑动接触...     

复合材料层合板波动特性分析的一种快速计算方法

将径向点插值方法应用在结构波动特性的快速分析中.在波数与方位角构成的二维参数空间中,通过初始规则节点布点和梯度自适应过程,对表征结构波动特性之一的群速度进行了插值计算,并把插值计算的结果与直接计算的结果进行比较,通过误差分析验证了径向插值方法在结构波动特性的快速计算中的有效性.     

地下结构多尺度动力分析方法

近年地下结构震害频发,针对目前地下结构抗震研究中实际存在的多尺度动力问题,提出了地下结构多尺度动力分析方法,该方法不需要任何附加的过滤和阻尼就能有效地消除高频波的虚假反射. 以桥域耦合理论为基础,引入拉格朗日乘子将不同尺度区域之间的约束关系,通过能量势函数隐含到动力方程中,推导出不同尺度域的动力控制方程;基于中心差分法,提出了用于地下结构多尺度分析的动力显式算法,以求解所建立的多尺度动力耦合体系. 以实际工程为应用实例,通过与传统的位移耦合方法的对比分析,说明了该多尺度方法用于地下结构动力分析的可行性以及对消除高频波虚假反射的有效性.      

渐进多尺度展开方法的精度和物理意义

多尺度渐进展开方法(MsAEM)是分析周期复合材料结构力学行为的代表性方法,可以通过加权残量等方法实现,作者曾针对MsAEM的精度和力学含义进行研究。本文对作者的工作进行了总结,进一步明确了一维周期结构的单元阶次、摄动阶次和精确解的关系,揭示了不同阶次虚拟载荷和影响函数的物理意义,从物理角度强调了二阶展开项是不可缺少的,并对未来工作进行了展望。