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均匀化方法在粘弹性多层复合材料中的应用

计算力学学报 2005年第6期22卷 722-727页

作者：刘文辉张新明张淳源中南大学材料科学与工程学院湘潭大学基础力学与工程材料研究所

主要研究了由各向同性线弹性加强体和各向同性线粘弹性基体组成的多层复合材料的问题,在已有的线弹性多层材料的均匀化方法的基础上,应用弹性-粘弹性对应原理,在C arson域中求解粘弹性多层材料的问题。通过Burgers模型表示线粘弹性基体... 详细信息

主要研究了由各向同性线弹性加强体和各向同性线粘弹性基体组成的多层复合材料的问题,在已有的线弹性多层材料的均匀化方法的基础上,应用弹性-粘弹性对应原理,在C arson域中求解粘弹性多层材料的问题。通过Burgers模型表示线粘弹性基体材料,反演得到了多层材料的有效松弛模量和有效泊松比在时间域中的表达式,并且与实验结果和其他结果进行了比较。

关键词：微观力学多层复合材料均匀化方法对应原理有效松弛模量

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基于均匀化方法的多尺度结构拓扑优化研究

基于均匀化方法的多尺度结构拓扑优化研究

作者：张乘虎山东大学

学位级别：硕士

拓扑优化通过数学计算优化结构中材料分布,以实现目标性能最优,已经成为结构创新设计的重要工具。近年来,随着先进设计理念和制造技术的快速发展,面向增材制造的结构拓扑优化设计方法已逐渐成为轻量化结构高性能设计领域内的主流和热点... 详细信息

拓扑优化通过数学计算优化结构中材料分布,以实现目标性能最优,已经成为结构创新设计的重要工具。近年来,随着先进设计理念和制造技术的快速发展,面向增材制造的结构拓扑优化设计方法已逐渐成为轻量化结构高性能设计领域内的主流和热点,尤其是多孔结构填充的多尺度结构拓扑优化(Multi-scale Structural Topology Optimization,MSTO)设计。相较于单一尺度实体结构,多尺度设计的新颖结构形式可实现高孔隙率、高能量吸收率、稳健的鲁棒性、负泊松比以及极限各向异性等诸多优良属性。然而,MSTO领域在结构性能、计算效率、微结构连接性等方面依然面临大量的技术性难题。本文通过综合分析MSTO领域的研究现状,总结了现有的几种多尺度结构设计方法的存在问题,并基于均匀化方法对MSTO设计开展了讨论分析和研究。首先,提出了一种极限各向异性点阵结构拓扑优化设计方法。对于点阵结构拓扑优化设计方法,大多数可选择的候选点阵结构仅通过改变点阵密度或几何参数实现微结构梯度变化,这显然不足以应对多尺度结构件内部复杂的加载条件。本文利用预优化基础点阵结构的组合构建具有极限各向异性的候选点阵结构,候选点阵结构具有优异的x方向拉伸模量、y方向拉伸模量和x-y平面剪切模量。在此基础上,通过改变候选点阵结构的组成来实现其丰富的属性变化,并以此实现了经数值算例和力学实验验证的优异刚度属性的多尺度结构件优化设计。其次,提出了一种点阵-实体复合结构(Lattice-solid Hybrid Structure,LSHS)拓扑优化设计方法。进一步地,将点阵结构的材料属性域扩展,引入实体和空隙材料,提出了一种基于有序多相材料插值模型的多尺度LSHS拓扑优化设计方法,实现了 LSHS设计中多参数定义的多相材料协同优化。所提出的有序多相材料插值模型避免了极高密度或低密度点阵,从而确保了结构性能优化与微结构可制造性的兼容。然后,提出了一种综合聚类MSTO设计方法。将多变量点阵结构参数场优化技术引入自由拓扑微结构的多尺度设计方法,并以多变量点阵结构参数场优化结果作为宏观结构响应特征,提出了一种综合反映宏观结构局部承载量级和主应力状态的聚类优化策略,以此所实现的综合聚类MSTO设计方法经过典型拓扑优化数值算例验证和实验测试,证明所提出方法显著地提高了多尺度构件的力学性能,特别是相较于以单一宏观结构响应特征为分区域指标的优化方法,同时本方法保证了异质微结构的互联互通,具有良好的计算效率。最后,对本文主要工作和创新点进行总结,并对未来研究作出展望。

关键词：拓扑优化多尺度设计均匀化方法增材制造

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均匀化方法的ABAQUS实现

哈尔滨工业大学学报 2010年第3期42卷 389-392页

作者：黄富华梁军杜善义哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨150001

为了利用通用有限元软件来对复杂的均匀化方程进行便捷求解,从而对具有周期性构造复合材料有效性能进行预测.根据文献[1]提出的热应力方法和边界力方法将均匀化方程转化为通用有限元可以进行计算的形式,通过ABAQUS用户子程序和脚本语言... 详细信息

为了利用通用有限元软件来对复杂的均匀化方程进行便捷求解,从而对具有周期性构造复合材料有效性能进行预测.根据文献[1]提出的热应力方法和边界力方法将均匀化方程转化为通用有限元可以进行计算的形式,通过ABAQUS用户子程序和脚本语言的编写,便捷的实现了均匀化方程的求解,得到了均匀化系数.通过均匀化方程的ABAQUS的便捷求解(包括热应力方法和边界力方法),计算了单向复合材料有效性能,并与细观力学方法进行比较,结果表明两种方法具有一致性和有效性.

关键词：有限元 ABAQUS 均匀化方法单向复合材料

基于多尺度均匀化方法的混凝土冻融损伤超声波识别方法

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基于多尺度均匀化方法的混凝土冻融损伤超声波识别方法

作者：姜璟荦浙江大学

学位级别：硕士

冻融破坏是当今世界混凝土结构劣化的最主要原因之一。混凝土在冻融循环作用下内部产生微裂缝,导致结构力学性能和耐久性劣化。超声波速的相对变化可以用于检测混凝土材料的冻融微观损伤,但现有研究成果仅能对混凝土材料层次的均匀冻融... 详细信息

冻融破坏是当今世界混凝土结构劣化的最主要原因之一。混凝土在冻融循环作用下内部产生微裂缝,导致结构力学性能和耐久性劣化。超声波速的相对变化可以用于检测混凝土材料的冻融微观损伤,但现有研究成果仅能对混凝土材料层次的均匀冻融损伤进行定性评价。目前尚缺少超声波速与冻融微观损伤之间理论联系和定量关系的研究,难以通过超声波速定量表征微观损伤下混凝土材料内部结构的变化和量化混凝土材料的微观损伤。本文基于多尺度均匀化方法建立了混凝土材料超声波速多尺度预测模型,并在超声波速预测模型中引入微观损伤量化参数,确定微观损伤变量的计算尺度和微观损伤下各尺度的均匀化方法,建立定量表征混凝土微观损伤的超声波速计算模型。主要研究内容和结论如下:（1）基于多尺度均匀化方法和均质多相材料的弹性公式建立了混凝土材料超声波速多尺度预测模型,并基于材料变化引起超声波速变化的理论机理,明确了混凝土材料不同尺度下超声波速的主要影响因素和不同均匀化方法的适用性。（2）通过超声波速试验测量不同水灰比、不同龄期混凝土的超声波速,同时搜集部分既有研究中混凝土材料超声波速试验数据,并与超声波速预测模型计算结果对比,验证超声波速预测模型的准确性。（3）在水泥砂浆冻融循环试验中测量不同冻融损伤程度下水泥砂浆的抗压强度、残余应变和超声波速,分析不同水灰比水泥砂浆在冻融循环过程中表观形态、残余应变、超声波速和抗压强度的变化规律,并以冻融损伤下的残余应变定量表征冻融微观损伤程度,建立超声波速损失、抗压强度损失和残余应变间的双线性关系。（4）在混凝土超声波速预测模型中引入了微观损伤变量,通过冻融损伤残余应变量化表征微裂缝的开展程度,基于不同的裂缝形状假设,对比分析了微观损伤的计算尺度和均匀化方法对预测结果的影响,从而建立定量表征混凝土微观损伤的超声波速计算模型。

关键词：混凝土冻融循环微观损伤超声波速多尺度模型均匀化方法

基于均匀化方法的天然复合材料等效弹性性能分析

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北京工业大学学报 2010年第6期36卷 759-763,808页

作者：杨庆生刘健杨辉北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

节理岩体是一种自然界广泛存在的天然复合材料,作者提出了含有节理岩体的复合材料的细观力学模型,利用均匀化方法计算了任意节理交角及相对节理宽度下岩体的等效弹性参数,得到了等效弹性参数随岩体节理倾角及相对节理宽度的变化曲线.

关键词：节理均匀化方法弹性参数

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基于均匀化方法的节理岩体等效弹性性能预测

工程力学 2008年第4期25卷 75-79,92页

作者：任强徐卫亚河海大学岩土工程研究所南京210098

假定节理岩体具有均质的宏观结构和非均质的周期性分布的细观结构,利用均匀化方法,根据材料周期性特点,通过摄动理论建立依赖于两尺度坐标变量而变化的渐进位移场,推导出反映节理岩体细观结构的控制方程,并结合有限元法,数值模拟得到其... 详细信息

假定节理岩体具有均质的宏观结构和非均质的周期性分布的细观结构,利用均匀化方法,根据材料周期性特点,通过摄动理论建立依赖于两尺度坐标变量而变化的渐进位移场,推导出反映节理岩体细观结构的控制方程,并结合有限元法,数值模拟得到其宏观等效弹性模量。将算例得到的等效弹性模量与Taylor方法、自洽方法及Hashin-Shtrikman结果进行对比分析,证实了均匀化算法的合理性。同时探讨了节理岩体的弹性性能与组份性能及细观结构的关系,并考察了节理岩体的岩质材料泊松比对宏观力学性能的影响。

关键词：均匀化方法节理岩体摄动理论周期性有限元分析等效模量

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复合材料结构等效电磁参数均匀化方法

电波科学学报 2009年第2期24卷 280-284,292页

作者：张永杰李江海孙秦西北工业大学航空学院陕西西安710072

依据周期结构复合材料等效电磁参数的均匀化方法,推导了此类结构等效电磁参数的有限元计算公式;并对介质框和介质方柱周期结构复合材料的等效介电常数进行了有限元求解,给出了这两类周期结构等效电磁参数的高精度拟合公式。数值算例表... 详细信息

依据周期结构复合材料等效电磁参数的均匀化方法,推导了此类结构等效电磁参数的有限元计算公式;并对介质框和介质方柱周期结构复合材料的等效介电常数进行了有限元求解,给出了这两类周期结构等效电磁参数的高精度拟合公式。数值算例表明这种有限元均匀化方法是可靠高效的,能够为周期结构复合材料的等效电磁参数预测和设计提供均匀化计算方法。

关键词：周期结构复合材料等效电磁参数均匀化方法

石墨烯纳米复合材料的降阶均匀化方法及其数值实现

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复合材料学报 2021年第12期38卷 4362-4370页

作者：鞠晓喆朱加文梁利华许杨剑浙江工业大学机械工程学院杭州310023

对石墨烯纳米复合材料进行三维有限元建模通常需极其精细的网格。在考虑塑性演变的情况下,细观代表性单元体模型的计算效率极其低下。为此,基于非均匀变换场分析理论,提出了石墨烯纳米复合材料的降阶均匀化方法。首先,针对不同加载路径... 详细信息

对石墨烯纳米复合材料进行三维有限元建模通常需极其精细的网格。在考虑塑性演变的情况下,细观代表性单元体模型的计算效率极其低下。为此,基于非均匀变换场分析理论,提出了石墨烯纳米复合材料的降阶均匀化方法。首先,针对不同加载路径进行预分析,提取细观塑性应变场信息;然后对这些信息进行本征正交分解,从而得到若干个塑性模态,用作降阶模型的基函数;基于宏、细观耗散功的等效原理,导出降阶变量的本构模型。该方法的离线分析部分通过MATLAB编程实现。为了便于工程计算,在线分析部分则由商业有限元软件ABAQUS的UMAT用户子程序接口实现。基于三维算例分析,验证了所提方法的有效性。结果显示,在保证较高精度的前提下,针对三维代表性单元体计算的加速率可达10^(3)~10^(4)量级。

关键词：石墨烯纳米复合材料模型降阶均匀化方法非线性多尺度分析代表性单元体

基于均匀化方法的双向铺层层板弹性性能计算及优化设计

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机械强度 2005年第5期27卷 616-619页

作者：李书徐丽娜张放北京航空航天大学飞机设计研究所北京100083

基于均匀化方法对双向铺层复合材料层板等效弹性参数进行预估,通过均匀化方法有限元模型的分析,说明对双向铺层弹性参数单胞模型处理是合理的。在预估的等效弹性参数基础上,对其自振频率进行优化设计,结果表明文中方法是可行的。

关键词：复合材料层板均匀化方法优化设计