Non-local Stress Analysis of Heterogeneous Media by Image-based. Mesh Superposition Method and Its Verification

基于图像的异质介质非局部应力分析。

基本信息

项目摘要

By combining the orginal Finite Element Mesh Superposition Method and the Image-based Modeling technology with high-resolution X-ray CT system, a novel "Image-based Mesh Superposition Meth" has been proposed. The proposed method can solve such non-local stress problems as interface problems, locally apppearing yielding zone or damaged zone and problems with high strain gradient. Hence, this method can overcome the problems to which the current multi-scale computational methods can not be applied.The high-resolution X-ray CT used in this study can provide the CT images with 2.6μm resolution. The numerical model for finite element analysis is automatically generated using the voxel finite elements. To solve the very large-scale algebraic equations generated by this image-based modeling technique, an element-by-element iterative solver and the out-of-core skyline method with renumbering by RCM method are used. To determine the microstructure model, a morphology analysis methodology has al … More so been proposed. The macroscopic model is generated using the homogenized (averaged) mechanical properties calculated by the asymptotic homogenization theory. The microscopic stress is calculated by the original finite element mesh superposition method. On a standard personal computer, a three-dimensional non-local problem with approximately 100,000 voxel elements is solvable.The developed computational method has been applied to real porous ceramics. The predicted homogenized properties of porous alumina with needle-like pores have been verified through comparison with experimentally measured values. The error was only 1%. To verify the accuracy of the microscopic stress calculated by the mesh superposition method, two-dimensional analysis has been carried out and compared with conventional finite element analysis with fine mesh. For a two-dimensional interface crack problem of dissimilar porous materials, very good coincidence was obtained between the proposed and reference analyses.To visualize the calculated three-dimensional distribution of the microscopic stresses, original software named V-SEM (Visualization and Stress Evaluation of material Microstructures) has been developed especially designed for the image-based multi-scale analysis. It is helpful to evaluate the microscopic stress quantitatively by plotting the histogram. Less
将原有的有限元网格叠加方法和基于图像的建模技术结合到高分辨率X射线CT系统中,提出了一种新的“基于图像的网格叠加方法”。该方法可以解决界面问题、局部出现的屈服区或损伤区以及高应变梯度问题等非局部应力问题。该方法克服了现有多尺度计算方法所不能解决的问题,所用的高分辨率X射线CT可以提供2.6μm分辨率的CT图像。使用体素有限元自动生成用于有限元分析的数值模型。为了求解这种基于图像的建模技术所产生的非常大规模的代数方程组,使用了逐元素迭代求解器和通过RCM方法重新编号的核心外天际线方法。为了确定微观结构模型, ...更多信息 所以被提议了。宏观模型是使用均匀化(平均)的渐近均匀化理论计算的力学性能。采用原始有限元网格叠加法计算细观应力。在一台标准的个人计算机上,一个具有大约10万个体素单元的三维非局部问题是可以求解的。通过与实验测量值的比较,验证了预测的针状孔多孔氧化铝的均匀化性能。误差仅为1%。为了验证网格叠加法计算细观应力的准确性,进行了二维分析,并与传统的细网格有限元分析进行了比较。针对不同多孔材料的二维界面裂纹问题,本文的分析结果与文献中的分析结果吻合较好,为了使计算得到的三维应力分布可视化,本文开发了一个基于图像的多尺度分析软件V-SEM(Visualization and Stress Evaluation of material Microstructures)。绘制直方图有助于定量评价微观应力。少

项目成果

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奥野義紘, 高野直樹, 座古勝: "マルチスケール法による不均質在中のき裂先端のミクロ応力解析"日本機械学会第16回計算力学講演会講演論文集. No.03-26. 603-604 (2003)
Yoshihiro Okuno、Naoki Takano、Masaru Zako:“使用多尺度方法对异质结构中的裂纹尖端进行微观应力分析”第 16 届日本机械工程师学会计算力学会议论文集第 603 期。 - 604(2003)
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高野直樹: "Multi-scale modeling and analysis of heterogeneity in ceramics"Proc. International Conference on Advanced Technology in Experimental Mechanics 2003 (ATEM' 03). (CD-ROM). (2003)
Naoki Takano:“陶瓷异质性的多尺度建模和分析”Proc。2003 年实验力学先进技术国际会议 (ATEM 03) (CD-ROM)。
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奥野義紘, 高野直樹, 座古勝, 辻村幸治: "重合メッシュ法による多孔質セラミック接合体の効率的マルチスケール解析"日本複合材料学会第27回複合材料シンポジウム講演要旨集. 227-228 (2002)
Yoshihiro Okuno、Naoki Takano、Masaru Zako、Koji Tsujimura:“使用聚合网格方法对多孔陶瓷接头进行高效多尺度分析”日本复合材料学会第 27 届复合材料研讨会论文集 227-228 (2002)。
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重合メッシュ法によるミクロ構造モデリングとマルチスケール応力解析
使用聚合网格方法进行微观结构建模和多尺度应力分析
高野直樹, 座古勝, 奥野義紘: "Multi-scale finite element analysis of porous materials and components by asymptotic homogenization theory and enhanced mesh superposition method"Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 11・2. 137-156 (2003)
Naoki Takano、Masaru Zako、Yoshihiro Okuno:“利用渐近均质化理论和增强网格叠加法进行多孔材料和组件的多尺度有限元分析”材料科学与工程中的建模与模拟11・2(2003)。
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