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...     

层状岩体的Cosserat介质均匀化

将层状岩体视为由Cosserat介质组成的复合体,对其进行均匀化等效,在MATLAB平台上进行有限元编程,得到新等效本构关系。不仅能反映层状岩体的弯曲特性,而且可以对节理岩体的力学性能进行宏观和细观描述。通过对洞室算例进行显式节理模型、横观各向同性模型以及均匀化Cosserat等效模型三种方法的数值计算比较,证明理论分析与计算方法可行有效。     

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...     

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.     

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。     

基于空间连续尺寸场的动态均匀化方法

以均匀化理论为基础,将各向同性蜂窝状微孔结构作为材料描述方式,提出了基于空间连续尺寸场的动态均匀化方法,克服了动态优化中的局部模态现象.不同于将微孔结构尺寸变量依附于单元或节点,采用物质点对应的微孔尺寸作为设计变量,基于修正过滤公式的形函数,构造了空间连续的尺寸场,克服了棋盘格等数值不稳定性问题.基于复合函数求导法则,推导了总刚度阵、总质量阵等敏度表达式.以动态结构响应量最小化或最大化为目标,体积比为约束,建立了动态结构拓扑优化模型,通过二维结构数值算例对理论方法进行验证.结果表明,方法在连续体结构动态拓扑优化设计中具有可行性和有效性.     

一种基于平均场理论的格栅材料均匀化方法

将颗粒材料中发展的一种基于平均场理论的解析均匀化方法应用于二维周期格栅材料;依据尺度分离原理和统计均匀表征元概念构建了格栅材料的两尺度均匀化模型,包括细观杆件单元的本构关系、细观位移-宏观应变关系式以及应力的细观力学表达式;推导了两种二维周期格栅材料等效弹性参数包括弹性模量、泊松比和剪切弹性模量的细观力学表达式。结果表明:等边三角形结构等效为各向同性连续体时,弹性参数表达式与文献中其他方法所得结果一致;正方形结构均匀化为正交各向异性连续体时,主平面内弹性模量等于杆件单元轴向刚度,泊松比和剪切弹性模量分别由杆件单元的泊松比和剪切刚度决定,符合正方形格栅材料的力学特性;对于非主平面内的正方形本构矩阵,选取坐标轴与材料主轴夹角为45°的方向为例进行推导,本文方法与坐标变换方法所得结果一致。以上结果均验证了本文所发展方法的有效性。     

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。     

基于均匀化方法的单向纤维增强体渗透率预报

针对具有周期性分布细观结构的纤维增强体，从Stokes方程出发，用均匀化理论建立了预报纤维预制体渗透率的数学模型. 将Stokes方程与线弹性力学中的Lame方程进行类比，给出了用线弹性平面应变问题的有限元分析程序求解Stokes方程的方法. 据该方法编写了FORTRAN程序HAPS求解控制方程，并以此预报单向纤维增强体渗透率，与有关文献的结果进行比较证明了该方法的合理性.     

Biot-Cosserat连续体-离散颗粒集合体模型的非饱和土连接尺度方法

耦合了非饱和多孔多相介质有限元模型和颗粒介质离散元(DEM)模型,提出了以宏、细观尺度分别耦合Biot-Cosserat连续体模型和离散颗粒集合体模型的连接尺度方法来分析非饱和含液颗粒材料的力学渗流耦合问题。根据被动空气压力假定和对空间离散孔隙水质量守恒方程的约化,从非饱和土有限元控制方程的基本未知量中消去了孔隙水压力,而将其取作有限元积分点上定义取值的内状态变量,进而建立了节点未知量仅包含固相线位移和转角的非饱和Cosserat多孔连续体约化有限元数值模型。基于连接尺度方法(BSM)宏、细观尺度数值过程的解耦计算的特点,对宏、细观两尺度数值模型的时域积分分别采用隐式Newmark方法和显式中心差分法,且取不同时间步长以提高计算效率。与全域采用DEM的精细分析方法相比,本文BSM在保证计算精度的前提下可大幅节省计算时间。在不考虑湿化效应的边坡稳定算例中,在得到类似计算精度条件下它比全域采用DEM节省计算时间高达86.65%。二维边坡稳定算例结果验证了本文连接尺度方法的有效性,以及在揭示含液颗粒结构细观破坏机理上的优点。数值算例结果显示,边坡承载能力因降雨大幅下降约50%,这表明本文发展的计及伴随湿化过程的颗粒材料结构中饱和度及吸力分布演变及其对结构破坏失效影响的非饱和颗粒材料多尺度计算模型是很有必要的。     

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.     

基于均匀化理论韧性复合材料塑性极限分析

运用细观力学中的均匀化方法分析了韧性复合材料的塑性极限承载能力.从反映复合材料细观结构的代表性胞元入手,将均匀化理论运用到塑性极限分析中,计算由理想刚塑性、Mises组分材料构成的复合材料的极限承载能力.运用机动极限方法和有限元技术,最终将上述问题归结为求解一组带等式约束的非线性数学规划问题,并采用一种无搜索直接迭代算法求解.为复合材料的强度分析提供了一个有效手段.     

A version of Hill＇s lemma for Cosserat continuum

On the basis of Hill＇s lemma for classical Cauchy continuum, a version of Hill＇s lemma for micro-macro homogenization modeling of heterogeneous Cosserat continuum is presented in the flame of average-field theory. The admissible boundary conditions required to prescribe on the representative volume element for the modeling are extracted and discussed to ensure the satisfaction of Hill-Mandel energy condition and the first-order average field theory.     

固体-流体混合物连续介质理论及其在工程上的应用

本文介绍了混合物连续介质的理论,并列举了固体-流体混合物连续介质理论在某些工程方面的应用。      

肺微循环内血液流动的连续介质整体模型

本文提出一种一维连续介质整体模型和相应的方程组,将之应用于肺循环內的血液流动问题,得到了封闭形式的分析解。分析表明,本文所得的结果与冯元桢采用片流理论所得的结果完全一致。     

RENEWAL OF BASIC LAWS AND PRINCIPLES FOR POLAR CON-TINUUM THEORIES (Ⅱ)—MICROMORPHIC CONTINUUM THEORY AND COUPLE STRESS THEORY

IntroductionThispaperisadirectcontinuationofRef.[1 ] .InitthecoupledconservationlawofenergypresentedinRef.[2 ]wasextendedandtherathercompletesystemsofbasicbalancelawsandequationsformicropolarcontinuumtheoryhavebeenconstitutedbycombiningtherenewedresultsandthetraditionalconservationlawsofmassandmicroinertiaandtheentropyinequality .Thepurposeofthispaperistorestablishthesystemsofbasicbalancelawsandequationsformicromorphiccontinuumtheoryandcouplestresstheoryviadirecttransitionsandreductionsfromth…     

STABILITY AND ACCURACY OF NUMERICAL BOUNDARY CONDITIONS IN AEROELASTIC ANALYSIS

This paper analyses the accuracy and numerical stability of coupling procedures in aeroelastic modelling. A two-dimensional model problem assuming unsteady inviscid flow past an oscillating wall leads to an even simpler one-dimensional model problem. Analysis of different numerical algorithms shows that in general the coupling procedures are numerically stable, but care is required to achieve accuracy when using very few time steps per period of natural oscillation of the structure. The relevance of the analysis to fully three-dimensional applications is discussed. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

压电材料中裂纹面电边界条件的适用性

先分析理想裂纹面电边界条件(包括导通型裂纹和不导通型裂纹),然后分析缺陷的厚度及其对尖端场的影响,用封闭形式的解表示出了缺陷厚度的影响.结果指出,裂纹长厚比对计算结果是有影响的,除非裂纹极扁,不可通裂纹边界条件可以给出合理的结果,而可通边界条件只有在一些限制条件下才适用.