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.      

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。     

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型.通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟.利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段.     

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.      

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.      

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.     

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...     

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...     

索网式展开天线网面精度调整的控制方法

针对索网式星载可展开天线调整节点之间强耦合的特点,本文研究了展开天线网面精度调整的方法.首先,基于Lagrange方程建立了网面物理模型,并推导了网面的刚度矩阵.基于刚度矩阵,在仅知道调整索节点位置量的条件下,提出了索网反射面调整的自适应控制方法.仿真结果验证了模型和控制方法的可行性与有效性.     

正交异性板条的渐近分析

本文阐明由三维薄弹性体的渐近分析导出各级精度板壳理论的基本方法.将多尺度分析用于板的内部区域和边界层区域导出应力,应变和位移等物理量的不同的无量纲小厚度参数ε的渐近展开式.与工程的方法不同,推导仅基于ε→0的渐近分析,对板的变形不做任何假定.给出正交异性板的平面应变渐近展开的具体列式,仅有一些常数待定.结果表明,内域解渐近级数的首项正是熟知的Kirchhoff板理论解.本文为内域解和边界层解的渐近匹配,从而正确表述圣维南原理并用以建立各级渐近解的边界条件进而求解的研究做好了准备.     

Acoustic Radiation from a Finite Length Cylindrical Shell Excited by an Internal Acoustic Source: Solution Based on a Boundary Element Method and a Matched Asymptotic Expansion

This paper deals with acoustic radiation by a thin elastic shell, closed by two perfectly rigid discs, immersed in water and filled with air. The system is driven by an internal acoustic source. The shell has a length L, is clamped along one of its boundaries and is freely supported along the other boundary. Using the infinite domain Green's function, the radiated acoustic pressure is modeled by a hybrid layer potential (linear combination with nonreal coefficient of a simple layer and a double layer). Using Green's tensor of the in vacuo shell operator, the shell displacement is expressed as the sum of the field generated by the acoustic pressures and that due to boundary sources. Finally, the Green's function of the interior Neumann problem is used to express the acoustic pressure inside the shell in terms of the acoustic source and shell normal displacement: this representation fails for any frequency equal to one of the resonance frequencies of the shell interior. To overcome this, a light fluid approximation, which is allowed because the inner fluid is a gas, is adopted. Around each resonance frequency, an inner approximation is defined which matches the classical outer approximation. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

基于均匀化理论的混凝土宏细观力学特性研究

在细观层次上将混凝土视为由砂浆基质、骨料及其界面组成的三相复合材料,在此基础上,采用有限元方法,对混凝土弹性本构关系进行数值模拟,利用位移渐近展开技术和均匀化理论建立了多尺度力学框架下的有限元平衡方程,重点考察了单胞尺寸对宏观力学性能的影响,得到了相对最大骨料粒径的最小单胞尺寸,即5～10倍最大骨料粒径.作为例证,对混凝土三点弯梁进行了宏细观尺度数值仿真研究,结果表明:基于本文方法可以较好地反映混凝土的宏观力学行为.此外,由于骨料、砂浆的相互作用,应力分布呈现出宏观渐变平滑与细观局部突变的特征.     

Multiscale Expansion Method in the Hilbert Problem

The problem of constructing an asymptotic approximation to the solution of the kinetic Boltzmann equation is considered for the hydrodynamic region of low Knudsen numbers. The problem is linearized for one-dimensional perturbations in a gas at rest. The distribution function is sought in the form of a multiscale expansion of the Hilbert asymptotic series type. The construction of a solution uniformly suitable as t is demonstrated with reference to a particular example of sonic wave propagation. It is shown that the multiscale technique makes it possible to extend the domain of applicability of the Hilbert expansion to the entire interval of dissipative relaxation.     

Higher-Order Terms in the Capillary Limit Approximation of Viscous-Capillary Flow

We propose a new approximation to the solution of the steady state equations describing two-phase immiscible flow in a porous medium. It is demonstrated that the general procedure contains the capillary equilibrium approximation as a special case. The solution is approximated by a perturbation series in a parameter related to the capillary number. The expansion of the solution results in a sequence of decoupled linear elliptic boundary value problems. This sequence is solved numerically by a Finite Element method, and the accuracy of the approximations is evaluated.     

ON SINGULAR PERTURBATION FOR A NONLINEAR INITIAL-BOUNDARY VALUE PROBLEM (Ⅱ)

In this paper, we consider a singularly perturbed problem of a kind of quasilinear hyperbolic-parabolic equations, subject to initial-boundary value conditions with moving boundary. When certain assumptions are satisfied and e is sufficiently small, the solution of this problem has a generalized asymptotic expansion (in the Van der Corput sense), which takes the sufficiently smooth solution of the reduced problem as the first term, and is uniformly valid in domain Q where the sufficiently smooth solutioh exists. The layer exists in the neighborhood of t=0. This paper is the development of references.