理论教育 微极理论及其在物质应变建模中的应用

微极理论及其在物质应变建模中的应用

时间:2023-06-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:之后Sluys在博士论文中采用微极理论研究解决初值问题中材料的应变软化及应变局部化模拟。在考虑微极理论模型时,试样的断裂模式受微观格点网络结构尺寸的影响异常显著。微极理论由于引入了附加旋转自由度,无疑极大地增加了数学计算的复杂性和难度。此外,Chang et al、Muhulhaus & Vardolakis以及de Borst & Sluys的研究表明,经典的微极理论模型只有当应用于破坏模式Ⅱ(剪切带)时才能显示出网格尺寸的独立性,而在用于模拟破坏模式Ⅰ(错位带)时并无任何优势。

微极理论及其在物质应变建模中的应用

这一理论的出现最早可以追溯到19世纪(Voigt,1887,1894),但直到1909年Cossera兄弟才首次得出有效的求解。他们把材料结构视为相互作用的颗粒组成,这些颗粒间不仅存在相对位移还存在着相对旋转自由度,通过3个相互正交的单位向量的刚度旋转来描述。随后Mindlin & Tiersten(1962)、Toupin(1962)、Koiter(1964)相继提出并发展偶应力理论;Eringen & Suhubi(1964)以及Eringen(1965)提出了微极理论和微形态理论;Green & Rivlin(1964;Green,1965)提出并发展了多极理论。所有这些都属于广义的微极理论,其抽象的理解是通过独立于位移场的附加场变量来描述固体的运动学特性,并为小尺度的运动学理论提供补充信息。Muhulhaus & Vardolakis于1987年首先将微极理论应用于解决应变软化问题。Chang & Ma(1990)通过考虑微观颗粒间的相对旋转,把颗粒状材料(黏土)模拟为宏观连续统一体,同时兼顾材料微观离散性和颗粒间的接触性能,从而描述了材料宏观角度的机械性能。他们的研究为采用连续介质理论的方法研究离散颗粒状材料建立了基础。de Borst & Sluys于1991年推导用于解决弹塑性力学问题的Cosserat模型的计算法则。之后Sluys(1992)在博士论文中采用微极理论研究解决初值问题中材料的应变软化及应变局部化模拟。针对应变软化模拟中网格尺寸的应用,他系统地研究了发生应变软化时材料内部的应变波传播、局部化以及分散过程。Steinmann(1994)研究了几何学线性微极连续体,提出混合变分法则并讨论了离散化以及应用,从而改善了单元尺度的应变局部化行为。Chang et al(2002)研究了混凝土的断裂模型,采用微观结构力学的方法把混凝土材料假定为由格点网络组成的微观结构体,对比两种情况后,即基于微极理论的微观结构模型和非极性微观结构模型性能差异以及对于网格的依赖性问题,他们的研究表明,在模拟单轴拉伸情况下,两种模型能得出几乎一致的结果,其原因是在第一种失效模式(断裂失效)的情况下,尽管采用了微极理论,但额外的旋转自由度处于未激活状态,因此模型等价于非极性模型;然而当加载途径处于第二种失效模式(包含剪切作用)时,比如在剪切盒试验情况下,两种模型所得的结果截然不同。在考虑微极理论模型时,试样的断裂模式受微观格点网络结构尺寸的影响异常显著。他们还从研究结果中惊奇地发现,能够有效制约求解对于网格尺寸依赖性的重要因素是在模型中引入了微观结构而并非微极理论的应用。这种微观结构的引入可以被视为一种有效避免网格敏感性的正则化技术。应用其预测得到的应变局部化区域比经典破坏模型所得的区域要宽,而且不受网格尺寸的影响。

国内将微极理论应用于应变软化或局部化模拟的研究较少。唐洪祥(2007)提出了一个压力相关弹塑性Cosserat连续体模型,推导出了基于压力相关弹塑性Cosserat理论本构模型的一致性算法,利用所发展的模型和有限元法数值模拟了由应变软化引起的平面应变问题中的应变局部化现象。胡亚元(2005)利用微极理论,把饱和土中多孔固体骨架部分近似地视为微极介质,孔隙中的流体部分视为质点介质,获得饱和多孔微极介质的弹性波动方程。借鉴Greetsma理论,建立了饱和多孔微极介质弹性本构方程力学参数与相应单相介质弹性参数的相互关系,使饱和多孔微极介质弹性波动方程中的物理参数具有明确的物理意义,易于在试验中确定。(www.daowen.com)

微极理论由于引入了附加旋转自由度,无疑极大地增加了数学计算的复杂性和难度。此外,Chang et al(2002)、Muhulhaus & Vardolakis(1987)以及de Borst & Sluys(1991)的研究表明,经典的微极理论模型只有当应用于破坏模式Ⅱ(剪切带)时才能显示出网格尺寸的独立性,而在用于模拟破坏模式Ⅰ(错位带)时并无任何优势。

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