考虑稳定性约束的五零能模式材料结构设计方法研究

五零能模式材料是一种声学超材料,虽然它一般采用固体材料设计,并且单胞常应用微桁架构型,但理论上这种材料设计的结构是不稳定的.论文从分析设计结构整体出发,探讨一种通过施加预载荷,确保五零能模式材料结构稳定性的方法,并给出了保证结构稳定性的充分条件,且应用典型的五零能模式材料单胞构型加以验证.同时,为方便提出的稳定性条件在设计过程中的实施,将五零能模式材料结构的设计过程描述为五零能模式材料的变换过程,采用结构尺寸优化模型来描述.当材料单胞为微桁架构型时,这一结构尺寸优化模型简单,结构稳定性约束和五零能模式材料性质约束均为线性约束.     

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.     

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.     

考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。     

五零能模式材料设计的非线性有限元计算方法

五零能模式材料是一种新型人工超材料,特征为其弹性模量矩阵的6个特征值中5个为零,可用等效体积模量来描述,表现出类似流体的性质,可被应用于声学隐声斗篷的设计中.然而,根据Norris A N[1]提出的理论,设计五零能模式材料时,与应用变换声学方法设计一般声学人工超材料不同,要求其满足一非线性偏微分方程约束.论文利用非线性有限元的完全拉格朗日方法,推导了这一偏微分方程的弱形式,并给出了相应的非线性有限元计算列式,以及迭代求解的具体算法.最后,给出了五零能摸式材料设计的二维和三维坐标变换数值算例.     

基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型

考察了结构最小尺寸与材料特征长度量级相当的格栅材料等效性能,建议了基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型以及确定等效模量的代表体元模型,给出了相应的位移边界条件. 在此基础上导出了正交各向异性偶应力介质的特征长度表达式和偶应力介质梁的抗弯刚度表达式,定义了偶应力影响因子\delta以表征梁的偶应力效应. 具体计算了几种典型的格栅材料的等效偶应力模量以及格栅梁在一定工况下的挠曲线,并与相应的有限元离散解进行对比,结果表明,等效结果具有较高精度,且当宏观结构的尺寸和微结构尺寸相差不大时,宏观结构表现出强烈的偶应力效应.偶应力介质的特征长度表征了偶应力效应的强弱,进而分析了格栅材料的相对密度,单胞尺寸以及几何构型对等效介质特征长度的影响.      

基于扭曲Kagome点阵结构的一模材料设计

零能模式超材料指弹性矩阵的特征值中有若干为零的弹性材料,根据零特征值的个数可将其分类为一模至五模材料。当前,针对五模材料已有较深入研究,并在水声和弹性波调控方面获得重要应用,而对其他类型零能模式材料的研究尚未展开。本文对扭曲Kagome周期桁架这样一类欠约束点阵材料的有效弹性性质进行了研究,结果表明通过调节点阵材料的微观几何构型和杆件刚度,该类结构能够涵盖一系列一模材料谱系。针对给定一模弹性张量,发展了软-硬模式分离的微结构逆向优化设计策略。通过特定一模材料中的波传播现象对有效性质预测和微结构设计进行了数值验证。     

滞后细观模型在岩石力学中的应用

对以砂岩为代表的所谓``NME材料'的力学行为研究方面的一些新的概念和模型进行了评介.首先介绍了一种基于所谓``滞后单元'的描述滞后现象的物理模型------Preisach-Mayergoyz(P-M)模型,然后详细阐述了P-M模型应用于模拟岩石的非线性滞后应力应变关系的过程和结果.这种唯象模型很好地描述了宏观上的滞后表现和``离散记忆'效应.接着本文对应变能耗散的力学机制进行了简单分析. 最后,介绍了一种描述弹性波在``NME材料'中传播规律的数学方法, 该方法从一般的弹性波传播规律出发,分析了``NME材料'特殊的力学性质给弹性波传播带来的影响,揭示了产生特殊的弹性波传播规律的原因.      

圆管型局域共振声子晶体三维构型振动带隙研究

采用多重多级子结构方法计算具有一定刚度的圆管型局域共振声子晶体三维构型振动带隙特性。考察包裹方向对带隙特性的影响,并对第一带隙上下边界点的单胞振动形式进行分析。结果表明,两种包裹形式都可以得到较低较宽的第一带隙,并且带隙特性相似,因而其周期结构都可以大幅减弱带隙范围内弹性波的传播。但两种构型带隙上下边界点对应振动形式不同,此外带隙特性还受单胞尺寸的影响。通过给定评价指标得到相关材料参数与带隙特性关系的相图,由此分析包裹层材料属性对带隙特性的影响。     

Virtual improvement of ice cream properties by computational homogenization of microstructures

Optimal shape design of microstructured materials has recently attracted a great deal of attention in materials science. The shape and the topology of the microstructure have a significant impact on the macroscopic properties. This paper presents different computational models of random microstructures, to virtually improve the physical properties of ice cream. Several sensory properties of this heterogeneous material issued from food industry are directly controlled by the elastic and thermal conducting ones. The material effective elastic and thermal conducting properties are obtained through direct large scale numerical simulations. The different formulations address the problem of finding the shape of the representative microstructural element for random heterogeneous media that increase the elastic moduli and thermal conductivity compared to existing products. The computational models are established using finite element method and images of virtual microstructures. In this paper we propose a new model of microstructures. This model is constructed with hexagonal prismatic rods and plates with volume fractions around 0.7 for the hard phase represented by hexagons of ice. A comparison between three two-phase elastic heterogeneous microstructures models is drawn. This illustrates the concept of design of microstructures using computational homogenization tools.     

多相材料微结构多目标拓扑优化设计

在采用多尺度均匀化方法求解微结构等效特性的基础上，提出了多相材料 微结构的多目标优化设计模型. 以组分材料用量为约束，采用周长控制消除棋盘格，结合有 限元方法和对偶凸规划求解技术，对两相和三相材料微结构多项等效模量的组合进行了优化 设计. 研究比较了微结构网格粗细、材料组分以及三相材料微结构优化中的两相实体材料弹 性模量相对比例不同对优化结果的影响. 数值算例验证了优化模型和优化算法的有效性，表 明了相关因素对优化结果的影响.     

Mesoscale bounds in viscoelasticity of random composites

Under consideration is the problem of size and response of the representative volume element (RVE) of spatially random linear viscoelastic materials. The model microstructure adopted here is the random checkerboard with one phase elastic and another viscoelastic, perfectly bonded everywhere. The method relies on the hierarchies of mesoscale bounds of relaxation moduli and creep compliances (Huet, 1995, 1999) obtained via solutions of two stochastic initial boundary value problems, respectively, under uniform kinematic and uniform stress boundary conditions. In general, the microscale viscoelasticity introduces larger discrepancy in the hierarchy of mesoscale bounds compared to elasticity, and this discrepancy grows as the time increases.     

金属材料的强度与应力-应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力-应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representativevolume element, RVE)的vonMises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analyticalspherical indentation,SSI)模型.通过球压入载荷-深度试验关系获得材料的应力-应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力-应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

A new formulation of the effective elastic–plastic response of two-phase particulate composite materials

In this paper the double-inclusion model, originally developed to determine effective linear elastic properties of composite materials, is reformulated and extended to predict the effective nonlinear elastic–plastic response of two-phase particulate composites reinforced with spherical particles. The resulting problem of elastic–plastic deformation of a double-inclusion embedded in an infinite reference medium subjected to an incrementally applied far-field strain is solved by the finite element method. The proposed double-inclusion model is evaluated by comparison of the model predictions to the available exact results obtained by the direct approach using representative volume elements containing many particles. It is found that the double-inclusion formulation is capable of providing accurate prediction of the effective elastic–plastic response of two-phase particulate composites at moderate particle volume fractions.     

A second-moment incremental formulation for the mean-field homogenization of elasto-plastic composites

In this paper, the incremental formulation for the mean-field homogenization (MFH) of elasto-plastic composites is enriched by including second statistical moments of per-phase strain increment fields, thus combining two advantages. The first one is to handle non-monotonic loading histories and the second is to better account for the heterogeneity of microscopic fields. The proposal is currently restricted to elasto-plasticity with J2 flow theory in each phase, under the small perturbation hypothesis. The formulation crucially exploits the return mapping algorithm for the J2 model, with its two steps: elastic predictor, and plastic corrections. It is shown that the second-moment measure of the average von Mises stress in each phase at the elastic predictor step plays a major role in the computation of both the average stress and the comparison tangent operator. The proposal is implemented for an extended Mori-Tanaka scheme. Predictions are compared to results provided by full-field, finite element computations of representative volume elements or unit cells, for various composite materials, with polymer or metal matrices. There are cases where the predictions of the proposed modeling improve significantly over those of a first-order incremental formulation.     

复合材料周期性线弹性微结构的拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型.模型1设计具有极值弹性特性的复合材料,模型2设计多工况最刚微结构单胞.通过该模型和均匀化技术可以获得优化的微结构单胞,进而改善或者得到最优宏观特性的复合材料.为了便于制造和应用,用胞体材料而不是多相材料来得到复合材料的极值弹性特性和最大刚度.优化结果表明,该模型与数值方法相结合可以有效地实现微结构的拓扑优化设计.     

基于三维模型的蜂窝材料有效弹性性能研究

采用三维模型预测了传统六角形蜂窝材料和带圆环结点六角形蜂窝材料的有效弹性性能.利用有限元法并结合周期边界条件计算了材料代表性体积单元的平均应力,进而由平均场理论获得了两种蜂窝材料全部的有效弹性常数.将传统蜂窝材料的计算结果与已有梁模型的计算结果和试验数据进行了对比,结果表明三维模型比梁模型具有更高的精度,分析了梁模型误...     

正交各向异性Kagome蜂窝材料宏观等效力学性能

由于微结构的布局和尺寸的方向性,人造和天然的蜂窝材料都会不同程度呈现各向异性,其中正交各向异性的蜂窝材料较为常见.该文采用桁架模型推导了正交各向异性Kagome单胞蜂窝材料等效刚度和强度的解析表达式,给出了初始屈服函数和近似弹性屈曲强度,讨论了等效刚度与各向异性率和相对密度的关系.等效刚度的解析结果与单胞壁杆采用梁单元建模的刚架模型均匀化结果进行比较,结果令人满意.需要说明的是这类"组合蜂窝"材料具有多功能性和潜在的可设计性,正在受到人们关注.