A novel mathematical model for fiber-reinforced materials is proposed. It is based on a 1-dimensional beam model for the thin fiber structures, a flexible and general 3-dimensional elasticity model for the matrix and an overlapping domain decomposition approach. From a computational point of view, this is motivated by the fact that matrix and fibers can easily meshed independently. Our main interest is in fiber reinforce polymers where the Young's modulus are quite different. Thus the modeling error from the overlapping approach is of no significance. The coupling conditions acknowledge both, the forces and the moments of the beam model and transfer them to the background material. A suitable static condensation procedure is applied to remove the beam balance equations. The condensed system then forms our starting point for a numerical approximation in terms of isogeometric analysis. The choice of our discrete basis functions of higher regularity is motivated by the fact, that as a result of the static condensation, we obtain second gradient terms in fiber direction. Eventually, a series of benchmark tests demonstrate the flexibility and robustness of the proposed methodology. As a proof-of-concept, we show that our new model is able to capture bending, torsion and shear dominated situations.


翻译:提出了纤维强化材料的新型数学模型。 它基于薄纤维结构的一维光束模型、矩阵的灵活和一般三维弹性模型和重叠的域分解法。 从计算的角度,这是由矩阵和纤维可以很容易地独立降解这一事实驱动的。 我们的主要兴趣在于纤维强化聚合物,因为Young的模型差异很大。 因此,重叠方法的模型错误没有意义。 混合条件既承认薄纤维结构的一维光束模型的强度和时刻,又将其转移到背景材料中。 应用一个合适的静态凝固程序来去除梁平衡方程式。 压缩系统随后形成我们在等离子分析方面的数字近似的起点。 选择离散基础功能的较常态性是这一事实的动机, 即由于静态凝固,我们在纤维方向上获得了第二个梯度条件。 最后, 一系列基准测试显示了拟议方法的灵活性和稳健性。 压缩系统展示了我们新的模型, 以稳健性模型为制的模型。

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