应变梯度理论的新进展(一)——偶应力理论和SG理论

介绍两种应变梯度塑性本构模型：ＣＳ应变梯度塑性理论——偶应力理论、ＳＧ应变梯度塑性理论。并对它们在断裂力学中的应用进行了评述。给出一种考虑可压缩性的方法，并根据这种模型用薄梁弯曲的例子给出了可压缩性的影响。本文的讨论虽限制在形变理论范围内，但按照相应的方法也可以得到流动理论的形式。

基于SBFEM和样条插值的多边形偶应力/应变梯度理论单元

偶应力/应变梯度理论是刻画材料在细观或微观尺度的应变非局部化现象的理论,其基本方程是在传统连续体力学二阶微分方程基础上增加含有材料长度参数的四阶微分方程.偶应力/应变梯度理论有限元的节点参数包含位移的函数值和导数值,并由C^(0-1)和C^(1)增强分片检验要求单元对位移函数满足2次完备性和C^(0)连续.相比三角形和四边形单元,构造具有高阶完备性的多边形单元形状函数更有难度,目前还缺少用于求解偶应力和应变梯度理论的多边形单元的研究.本文采用比例边界有限元方法(SBFEM)和基于离散Kirchhoff理论的多边形薄板样条单元(DKPS)相结合的方法,构造用于求解偶应力/应变梯度理论的多边形单元(SBFEMd3-DKPSd2).分别用SBFEM中环向3次单元和DKPS单元计算单元应变和应变梯度的刚度矩阵,避免了单元形状函数表达式的计算,并满足偶应力/应变梯度理论分片检验的要求.数值算例显示,该单元对凸多边形、非凸多边形和1-irregular退化的网格都有很好的计算精度.

偶应力/应变梯度弹塑性理论有限元实现

引入了偶应力弹塑性理论的增量形式,并提出了一种新的应变梯度理论,该理论引入了两个细观材料长度,结构较为简便.采用RCT9+RT9单元对软化材料的剪切带问题进行分析,该单元无多余零能模式且满足C0-1分片检验,即同时满足C1常曲率分片检验和C0线性应力分片检验.数值结果表明,利用传统弹塑性理论分析剪切带问题会出现显著的网格依赖性现象,而偶应力/应变梯度理论可以有效地避免这一问题,使计算结果收敛,此外,剪切带宽度随细观材料长度的减小而变窄.

基于罚函数偶应力理论的土体应变局部化研究

与Cosserat理论相比,偶应力理论在一定程度上可以降低数值框架的复杂度,已逐渐应用于岩土体应变局部化分析中。然而,一般的偶应力有限元法需要满足C^(1)连续性,即单元内部和单元交界面上的应变都需要具有连续性。为了避免开发较为复杂的C^(1)型偶应力单元,在Cosserat连续体理论框架下,通过借助罚函数方法对C^(1)连续性进行松弛来获得偶应力理论的逼近解,建立了基于罚函数的偶应力有限元方法 PCS-FEM。通过平面应变条件下的弹性圆孔应力集中问题对PCS-FEM方法的有效性进行了验证,并应用于土体应变局部化分析中。通过对Ottawa砂的平面应变试验进行数值模拟,发现PCS-FEM方法获得的应力-应变曲线及剪切带破坏形态与试验结果基本一致,且能够克服经典连续体理论病态的网格敏感性问题,保证应变局部化问题的适定性;通过对承受偏心荷载作用下的土坡应变局部化经典算例进行分析,发现PCS-FEM方法同样可以克服土坡应变软化阶段的网格敏感性问题,展现土体的渐进破坏过程。

应变梯度理论的新进展(二)——基于细观机制的MSG应变梯度塑性理论

介绍一种新近提出的应变梯度塑性本构模型：基于细观机制的应变梯度塑性理论（ＭＳＧ）。并对它在断裂力学中的应用进行了评述。本文的讨论虽限制在形变理论范围内。

基于应变梯度理论的韧性剪切带理论研究

地质领域中存在的大量事实都可以归为应变局部化范畴 ,韧性剪切带是剪切应变局部化带。本文首次应用应变梯度塑性理论对韧性剪切带进行了理论分析。获得了韧性剪切带内部局部剪应变 (率 )分布规律 ,剪切带错动总位移及剪切带法向位移的理论表达式 ,以及韧性剪切带内部体积应变 (率 )和孔隙率分布规律。剪应变局部化导致了体积应变和孔隙率局部化。随着应变软化的加剧 ,剪应变、体积应变和孔隙率局部化加剧 ;随着应力率绝对值的增加 ,剪应变率、体积应变率集中程度增强。

应变梯度理论有限元:C^(0-1)分片检验及其变分基础

基于细观有限元弹性应变梯度理论,首次提出应变梯度有限元的C0-1分片检验条件及其变分基础和一种构造应变梯度单元的方法.与常规的C0分片检验和C1分片检验不同,C0-1分片检验要求检验函数为满足平衡方程的二次函数,并同时通过线性平面应力C0分片检验和应变梯度常曲率的C1分片检验.进一步提出一个平面18-DOF三角形应变梯度单元(RCT9+RT9),算例表明该单元通过C0-1分片检验,无伪零能模式,并有较高的精度.

应变梯度理论在岩土力学中的进展述评

应变梯度的研究近年来在理论和实验上都取得了长足的发展。综述应变梯度理论在岩土力学中应用的研究现状,系统说明各种考虑应变梯度的模型的理论来源和及其相互联系,并对各种模型作了简要述评,就应变梯度理论在岩土力学中的发展趋势提出初步看法。

弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳的自由振动分析

旨在研究热-力-电载荷下弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳的自由振动。首先,建立弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳动力学模型;然后,应用三阶剪切变形壳体理论和修正的偶应力理论,推出弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳模态频率的解析解;最后,通过数值算例分析了微圆柱壳模态频率的影响因素。结果表明:Pasternak弹性支撑比Winkler弹性支撑更有利于提高微圆柱壳的模态频率;改变弹性支撑的刚度系数、轴向力、外加电压、孔隙分布、材料体积分数指数和结构尺寸可调节微圆柱壳的模态频率;孔隙体积分数越大,温度或轴向力对模态频率的影响越大,而电压对模态频率的影响则越小;不同材料指数下,增大孔隙体积分数对模态频率的影响趋势不同;弹性支撑会减弱温度、轴向力和电压对模态频率的影响,对薄圆柱壳或短圆柱壳模态频率的影响较为显著。

应变梯度理论及其数值方法研究进展

介绍了微尺度下材料变形过程中的尺度效应以及应变梯度理论的发展历史;主要介绍了Toupin-Mindlin应变梯度弹性理论和Fleck-Hutchinson应变梯度塑性理论,包括偶应力理论和拉伸与旋转梯度理论;阐述了应变梯度理论在解释尺度效应方面的成功应用及应变梯度理论的数值实施方法的发展现状;指出了应变梯度理论及其数值方法目前面临的困难以及发展方向.

热环境中多孔功能梯度材料微圆板的自由振动分析

基于经典板理论和修正偶应力理论,研究热环境中多孔功能梯度材料(FGM)微圆板的自由振动问题。首先利用Hamilton原理推导热环境中含有材料尺度参数的多孔FGM微圆板自由振动的控制微分方程并进行无量纲化。然后应用微分变换法(DTM)对多孔FGM微圆板自由振动的无量纲控制微分方程和边界条件进行变换,得到计算自由振动无量纲固有频率的代数特征方程。最后通过MATLAB编程计算并分析了梯度指数、孔隙率、不同升温方式和材料尺度参数对多孔FGM微圆板无量纲固有频率的影响。结果表明:材料尺度参数的增加,无量纲固有频率会增大;梯度指数影响频率,反映了材料从陶瓷到金属的转变特性;孔隙率会削弱刚度,进而影响固有频率。研究结果可为今后热环境中多孔FGM微圆板的设计与应用提供数据支持。

基于Hellinger-Reissner变分原理的应变梯度杂交元设计

从一般的偶应力理论出发,基于Hellinger-Reissner变分原理,通过对有限元离散体系的位移试解引入非协调位移函数,得到了偶应力理论下有限元离散系统的能量相容条件,并由此建立了应变梯度杂交元的应力函数优化条件.根据该优化条件,构造了一个C0类的平面4节点梯度杂交元,数值结果表明,该单元对可压缩和不可压缩状态的梯度材料均可给出合理的数值结果,再现材料的尺度效应.

考虑围压及孔隙压力的岩石试件应力与应变关系解析

假设剪切带内部的岩体为剪切破坏 ,利用剪切应变梯度塑性理论 ,解析得出了考虑围压和孔隙压力的岩石试件应力与应变的关系 ,解析解与众多的实验研究结果比较一致 ,围压效应和孔隙压力效应是局部化所致 。

考虑压头曲率半径和应变梯度的微压痕分析

在压头尖端曲率半径取100nm的前提下,采用Chen和Wang的应变梯度理论,对微压痕实验进行了系统的数值分析.首先通过拟合载荷-位移实验曲线的后半段来确定材料的屈服应力和幂硬化指数值,然后用有限元方法数值模拟压痕实验,并将计算得到的整段载荷-位移曲线及硬度-位移曲线和实验结果进行了比较.结果表明应变梯度理论所预测的计算结果和实验结果很好地符合,包括压痕深度在亚微米和微米范围内的整段曲线.

基于精化锯齿理论的功能梯度夹心微板静弯曲模型

基于精化锯齿理论和新修正偶应力理论,建立了能够准确预测功能梯度夹心微板挠度、位移和应力的静弯曲模型。为了描述微板不同方向上的尺度效应,将两个正交材料尺度参数引入本文模型。以受双向正弦载荷作用的简支板为例,探究了夹心微板弯曲行为中尺度效应对结构刚度的影响。算例结果表明,当微板几何参数与材料尺度参数接近时,基于本文模型所测微板的最大弯曲挠度、局部位移和应力均小于传统精化锯齿理论给出的结果,捕捉到了尺度效应;尺度效应随着微板几何尺寸的增大而逐渐减弱,当微板几何尺寸远大于材料尺度参数时,尺度效应消失。此外,板的跨厚比和功能梯度变化指数也会对尺度效应产生一定影响。

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力–应变曲线

基于梯度塑性理论,考虑了应变局部化,提出单轴拉伸条件下岩样全程应力–应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成:可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律,弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关,局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设,在峰后线性应变软化本构关系的情形下,得到全程应力–应变曲线的解析解。通过与De Borst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比,分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力–应变曲线的影响。研究有关的本构参数(弹性模量及软化模量)及试样高度对全程应力–应变曲线的影响。

基于梯度塑性理论的岩石等间距破坏分析

等间距断裂属应变局部化范畴,这是传统的宏观连续介质理论无法预测和解释的。应变梯度理论是传统塑性理论的推广和完善,本文在屈服函数中引用应变梯度项分析了岩石等间距破坏问题。首先建立了平面应力状态下应变梯度塑性理论模型,通过解析岩样边界在水平压应力作用下的塑性应变场,得出其曲面的分布具有等间距规律,其网络的分布格局及幅值大小受岩样尺度、边界应力、降模量等多种因素的影响。这一结论不仅与一些文献结果相吻合,而且说明用梯度塑性理论能够近似描述等间距现象。本文对深入研究等间距断裂提供了一个新思路。

厚壁筒的一种简化弹性应变梯度模型

在Toupin-Mindlin应变梯度理论框架内,建立了一种关于厚壁筒的应变梯度模型,并利用打靶法和拟牛顿迭代法实现了两点复杂边界条件和四阶常微分平衡方程的求解,得到了厚壁筒应力场和位移场精确数值解。为了降低该模型的复杂性和提高该模型的适用性,通过对高阶应力做出简化假设,得到了简化的平衡方程和相应的厚壁筒应力、应变的解析解。通过对厚壁筒经典弹性理论解析解、梯度理论简化解和梯度理论精确数值解的比较,检验了简化模型解析解的可行性和精确性,并得到了梯度理论和经典理论在厚壁筒应用上的差异性。

弹性地基上多孔二维功能梯度材料微梁自由振动研究

基于修正偶应力和Timoshenko梁理论,利用Hamilton变分原理推导了Winkler弹性地基上多孔二维功能梯度材料(2D-FGM)微梁的振动控制方程,采用微分求积法获得固支-固支(C-C)、简支-简支(S-S)边界条件下微梁的振动频率和基本振型,对刚度矩阵进行数学处理后极大地提高了计算效率,将该文模型退化为宏观和微观二维功能梯度模型且与已有文献对比验证其正确性.算例结果表明:该文数学模型适用于不同类型的二维材料分布;微梁的无量纲振动频率随着Winkler弹性地基模量的增大而增大;在一定Winkler弹性地基模量下,微梁的无量纲振动频率随着功能梯度指数、轴向功能梯度指数、孔隙率的增大而减小.材料变化对振动模态的影响随着振动模态阶数的增加而增加.同样参数下,孔隙均匀分布时梁频率略小于孔隙线性分布的情况.

碳纳米管增强型复合材料功能梯度板的自由振动模型与尺度效应

基于一种新的各向异性修正偶应力理论,建立了碳纳米管增强复合材料功能梯度板的自由振动模型。该模型能够描述尺度效应,且仅包含一个尺度参数。基于一阶剪切变形理论和哈密顿原理推演了板的运动微分方程,并以四边简支板为例给出了自振频率的解析解。讨论了板的几何尺寸、碳纳米管体分比含量和分布方式等因素对板的自振频率的影响。结果表明,本文模型所预测的板的自振基频总是高于经典弹性理论的Mindlin板模型的预测结果,两者间的差异在板的几何尺寸接近尺度参数的值时非常明显,且会随着板的几何尺寸的增大而逐渐消失。