复合材料弹塑性多尺度分析模型与算法

对材料非线性多尺度分析的计算模型与算法进行研究.在构建周期分布单胞分析算法的基础上,发展针对复合材料结构材料非线性多尺度分析的一般有限元方法.方法的特点是将所建立的单胞分析过程作为有限元分析的子程序嵌入到总程序系统当中,完成对应的高斯点应力计算,因而使所发展的方法具有实现方便的特点.给出数值计算结果,验证了方法与所发展的多尺度有限元分析程序的正确与有效性.     

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.      

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.      

复合材料中的渐近均匀化方法

本文将非均质弹性体的渐近均匀化方法应用于复合材料的宏观与细观分析之中。该方法基于平均化的思想，将复合材料视作由周期性的细观结构所构成，其场变量依赖于宏观和细观两个尺度的坐标变量而变化。通过建立位移和应力的渐近表达式，推导出关于周期性基元的细观平衡方程和细观本构关系，并与有限元数值方法相结合，得到材料的宏观等效性能和细观应力分布。对典型算例的分析，反映出该方法的有效性及准确性。     

基于介观力学信息的颗粒材料损伤——愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤--愈合与塑性的多尺度表征方法. 颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元. 建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系. 表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示. 基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系. 在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤--愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变. 此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应. 应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤--愈合--塑性表征方法的有效性.      

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.     

基于介观力学信息的颗粒材料损伤-愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤-愈合与塑性的多尺度表征方法.颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元.建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系.表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示.基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系.在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤-愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变.此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应.应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤-愈合-塑性表征方法的有效性.     

泡沫铝弹性接触静力学行为的多尺度模拟

对泡沫铝的宏、细观组织结构,基于MC方法建立与材料制备工艺相应的数值模型,作为多尺度模拟的前提.通过计算模拟和统计分析大量数值试样的力学性能,得到了不同制备工艺制得的泡沫铝的弹性模量的分散性特点.借鉴代表性体积单元方法(RVE)和完全多格方法(FMG)的思想,采用基于"巨原子"模型的多尺度关联方法,并以简化的物理势场描述巨原子问的关系,设计了原子-巨原子-有限元多尺度算法.通过算例探讨了与理想刚性平面接触时,泡沫铝接触表面的应力集中情况.     

一类混凝土力学参数的迭代多尺度有限元预测方法

根据多级配骨料混凝土特点,给出了一种迭代多尺度有限元方法预测其等效力学参数。本文首先介绍了多级配骨料混凝土的材料特点并给出了计算混凝土多尺度模型,然后基于多尺度方法介绍了计算混凝土力学参数的计算程序,最后针对小湾大坝中混凝土给出了算例说明了此种方法在预测混凝土等效力学参数的有效性。     

非均质饱和多孔介质弹塑性动力分析的广义耦合扩展多尺度有限元法

针对非均质饱和多孔介质弹塑性动力问题分析提出了一种广义耦合扩展多尺度有限元方法。首先,提出了基于细尺度等效刚度阵的粗尺度单元数值基函数构造方法,并给出了构造数值基函数的一般公式,所构造的耦合数值基函数有效考虑了动力相关效应与固液之间的耦合效应。其次,针对弹塑性非线性问题迭代求解,给出了基于摄动方法的位移与孔隙压强降尺度计算修正方案。最后,针对材料的强非均质特征,利用多节点粗单元技术来提高多尺度有限元方法的计算精度。通过与基于精细网格的传统有限元分析结果对比,验证了本文所提出方法的有效性与高效性。     

Objective evaluation of linearization procedures in nonlinear homogenization: A methodology and some implications on the accuracy of micromechanical schemes

A systematic methodology for an accurate evaluation of various existing linearization procedures sustaining mean fields theories for nonlinear composites is proposed and applied to recent homogenization methods. It relies on the analysis of a periodic composite for which an exact resolution of both the original nonlinear homogenization problem and the linear homogenization problems associated with the chosen linear comparison composite (LCC) with an identical microstructure is possible. The effects of the sole linearization scheme can then be evaluated without ambiguity. This methodology is applied to three different two-phase materials in which the constitutive behavior of at least one constituent is nonlinear elastic (or viscoplastic): a reinforced composite, a material in which both phases are nonlinear and a porous material. Comparisons performed on these three materials between the considered homogenization schemes and the reference solution bear out the relevance and the performances of the modified second-order procedure introduced by Ponte Castañeda in terms of prediction of the effective responses. However, under the assumption that the field statistics (first and second moments) are given by the local fields in the LCC, all the recent nonlinear homogenization procedures still fail to provide an accurate enough estimate of the strain statistics, especially for composites with high contrast.     

复合材料扭转轴截面微结构拓扑优化设计

提出复合材料扭转轴截面微结构拓扑优化设计新模型，模型的优化目标是获得具有最大宏观剪切特性加权和的单胞形式．通过模型和均匀化方法及优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弹性特性的复合材料．为了便于制造和应用，胞体材料用来获得复合材料的极值剪切模量．最后的优化结果表明，该模型连同数值处理技巧可以非常有效地实现微结构的拓扑优化设计．     

弹性、弹塑性材料显式模拟计算中的准静态加载速度研究

摘 要：动力学显式算法采用时间积分原理,其较静力学隐式算法在强非线性问题中的适用性更广。为将此方法应用到岩土等非线性材料的计算中,考虑到显式算法中动能的影响会导致结果波动,分析动力学显式算法在模拟计算中的准静态加载速度的选取十分必要,如何在缩短模拟消耗时间与结果准确性之间寻求平衡是本文研究重点。研究中提出以加载-位移曲线的波动比来评价准静态计算效果,首先开展弹性材料的平面应变模拟试验以分析弹模、密度、泊松比、围压4个参数对准静态加载速度取值的影响,结果表明：弹模、泊松比、围压的增大会提高准静态加载速度;密度的增大则会减小准静态加载速度。通过对各影响因素与准静态加载速度的相关性分析给出了准静态加载速度取值的经验公式。最后,选取能够反映砂土复杂力学特性的弹塑性本构模型,开展其平面应变模拟试验,对比分析准静态加载速度经验公式在弹性材料与弹塑性材料中的适用性差异,并提出应用建议公式。     

Cosserat model for periodic masonry deduced by nonlinear homogenization

The paper deals with the problem of the determination of the in-plane behavior of periodic masonry material. The macromechanical equivalent Cosserat medium, which naturally accounts for the absolute size of the constituents, is derived by a rational homogenization procedure based on the Transformation Field Analysis. The micromechanical analysis is developed considering a Cauchy model for masonry components. In particular, a linear elastic constitutive relationship is considered for the blocks, while a nonlinear constitutive law is adopted for the mortar joints, accounting for the damage and friction phenomena occurring during the loading history. Some numerical applications are performed on a Representative Volume Element characterized by a selected commonly used texture, without performing at this stage structural analyses. A comparison between the results obtained adopting the proposed procedure and a nonlinear micromechanical Finite Element Analysis is presented. Moreover, the substantial differences in the nonlinear behavior of the homogenized Cosserat material model with respect to the classical Cauchy one, are illustrated.     

三维编织复合材料模量的双尺度有限元计算

针对三维编织复合材料的力学性能进行了双尺度有限元(TSA)数值计算,给出了计算模型和算法过程,并将数值结果与文献中的实验数据进行了比较,验证了算法的物理准确性。编织复合材料的力学性能不仅依赖于材料的基本组份,也与细观构造相关。双尺度有限元计算可以数值模拟出三维编织复合材料的整体力学性能,从而为材料的研发提供指导。本文的双尺度有限元三维数值计算方法可以推广到其他增强／孔隙等多相复合材料的数值模拟。     

A nonlinear homogenization procedure for periodic masonry

The present paper deals with the problem of the determination of the in-plane behavior of masonry material. The masonry is considered as a composite material composed by a regular distribution of blocks connected by horizontal and vertical mortar joints. The overall constitutive relationships of the regular masonry are derived by a rational micromechanical and homogenization procedure. Linear elastic constitutive relationship is considered for the blocks, while a new special nonlinear constitutive law is proposed for the mortar joints. In particular, a mortar constitutive law, which accounts for the coupling of the damage and friction phenomena occurring during the loading history, is proposed; the developed model is based on an original micromechanical analysis of the damage process of the mortar joint. Then, an effective nonlinear homogenization procedure, representing the main novelty of the paper, is proposed; it is based on the transformation field analysis, using the technique of the superposition of the effects and the finite element method. The presented methodology is implemented in a numerical code. Finally, numerical applications are performed in order to assess the performances of the proposed procedure in reproducing the mechanical behavior of masonry material.     

粘弹性桩的混沌运动分析

研究了在轴向载荷和周期性横向载荷共同作用下非线性粘弹性嵌岩桩的混沌运动情况。假定桩和土体分别满足Leaderman非线性粘弹性和线性粘弹性本构关系，得到的运动方程为非线性偏微分．积分方程；利用Galerkin方法将方程简化为非线性常微分一积分方程，同时利用非线性动力系统中的数值方法，进行了数值计算，得到了不同载荷参数、几何参数、材料参数时粘弹性桩发生周期运动、多周期运动及混沌运动的时程曲线、相图、功率谱、Poincare截面图，同时得到了挠度-载荷、挠度-几何参数、挠度-材料参数等分叉图，考察了各种参数的影响。数值结果表明非线性粘弹性桩在一定的条件下可以通过倍周期分叉的方式进入混沌运动状态，且桩的载荷参数、几何参数、材料参数对其运动状态有较大的影响。     

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。     

A combined parametric quadratic programming and precise integration method based dynamic analysis of elastic-plastic hardening/softening problems

The objective of the paper is to develop a new algorithm for numerical solution of dynamic elastic-plastic strain hardening/softening problems. The gradient dependent model is adopted in the numerical model to overcome the result mesh-sensitivity problem in the dynamic strain softening or strain localization analysis. The equations for the dynamic elastic-plastic problems are derived in terms of the parametric variational principle, which is valid for associated, non-associated and strain softening plastic constitutive models in the finite element analysis. The precise integration method, which has been widely used for discretization in time domain of the linear problems, is introduced for the solution of dynamic nonlinear equations. The new algorithm proposed is based on the combination of the parametric quadratic programming method and the precise integration method and has all the advantages in both of the algorithms. Results of numerical examples demonstrate not only the validity, but also the advantages of the algorithm proposed for the numerical solution of nonlinear dynamic problems. The project supported by the National Key Basic Research Special Foundation (G1999032805), the National Natural Science Foundation of China (19872016, 50178016, 19832010) and the Foundation for University Key Teacher by the Ministry of Education of China