基于迭代法的非线性弹性均质化研究

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复合材料以其优越的力学性能,在工程中得到了广泛应用。相比于传统材料,复合材料不但具有强度高、韧性强等特点,而且它还具有可设计性。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,通过合理地设计复合材料微观结构可以得到期望的宏观性能。均质化方法是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,实现了对复合材料的宏观力学性能的预测和设计。但是,当考虑了非线性因素,均质化的实现就非常困难。因此,本文通过理论推导对复合材料的非线性弹性均质化问题进行了研究,并利用直接迭代法对问题进行了求解。  本文通过双渐近展开的方法,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,给出了具体的迭代方法和实现步骤。根据迭代步骤和非线性弹性均质化方程,使用 MATLAB程序语言进行编程,得到非线性弹性均质化问题的迭代程序。利用MATLAB程序三种典型本构关系的多孔材料和两相复合材料进行计算,对比和细致模型的应变能、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。通过对一种三元橡胶基复合材料,进行了多尺度分析,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,并与实验结果进行对比。利用MATLAB调用ABAQUS进行联合计算,将有限元计算的理论通过商业软件进行实现,避免了每调换一次有限元格式就要对程序进行大幅度修改的麻烦,并用联合计算方法对三维支架模型进行了计算,验证了方法的准确性。  本文对非线性弹性均质化问题进行了理论推导,并且通过 MATLAB程序进行了实现。通过对多尺度问题和联合计算问题的研究,拓展了非线性弹性均质化方法的应用。对非线性均质化方法和复合材料微观结构设计具有一定的指导意义和参考价值。
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