Diffusion behaviors of heterogeneous materials are of paramount importance in many engineering problems. Numerical models that take into account the internal structure of such materials are robust but computationally very expensive. This burden can be partially decreased by using discrete models, however even then the practical application is limited to relatively small material volumes. This paper formulates a homogenization scheme for discrete diffusion models. Asymptotic expansion homogenization is applied to distinguish between (i) the continuous macroscale description approximated by the standard finite element method and (ii) the fully resolved discrete mesoscale description in a local representative volume element (RVE) of material. Both transient and steady-state variants with nonlinear constitutive relations are discussed. In all the cases, the resulting discrete RVE problem becomes a simple linear steady-state problem that can be easily pre-computed. The scale separation provides a significant reduction of computational time allowing the solution of practical problems with a negligible error introduced mainly by the finite element discretization at the macroscale.


翻译:在许多工程问题中,不同材料的传播行为至关重要。考虑到这些材料内部结构的数值模型是稳健的,但计算成本很高。使用离散模型可以部分减轻这一负担,然而,即使这样,实际应用也仅限于相对较小的材料量。本文为离散扩散模型制定了一种同质化办法。Asymptic 扩展同质化是为了区分以下两种情况:(一) 与标准有限元素方法相近的连续宏观描述,和(二) 当地具有代表性的材料体积元素(RVE)中完全解决的离散中尺度描述。讨论了具有非线性结构关系的瞬态和稳定状态变体。在所有这些情况下,由此产生的离散RVE问题都成为简单的线性稳定状态问题,可以很容易地预先计算。规模分解使计算时间大大缩短,以便解决主要通过宏观的有限元素分解产生的微不足道错误造成的实际问题。

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