This paper presents a general, nonlinear finite element formulation for rotation-free shells with embedded fibers that captures anisotropy in stretching, shearing, twisting and bending -- both in-plane and out-of-plane. These capabilities allow for the simulation of large sheets of heterogeneous and fibrous materials either with or without matrix, such as textiles, composites, and pantographic structures. The work is a computational extension of our earlier theoretical work (Duong et al., 2021) that extends existing Kirchhoff-Love shell theory to incorporate the in-plane bending resistance of initially straight or curved fibers. The formulation requires only displacement degrees-of-freedom to capture all mentioned modes of deformation. To this end, isogeometric shape functions are used in order to satisfy the required $C^1$-continuity for bending across element boundaries. The proposed formulation can admit a wide range of material models, such as surface hyperelasticity that does not require any explicit thickness integration. To deal with possible material instability due to fiber compression, a stabilization scheme is added. Several benchmark examples are used to demonstrate the robustness and accuracy of the proposed computational formulation.


翻译:本文介绍了一种一般的、非线性限定元素配方,用于使用嵌入纤维的无轮用贝壳,这种纤维在伸展、剪切、扭转和弯曲过程中均能捕捉到在平板和飞机外的反向阻力。这种配方可以模拟大片的多元材料和纤维材料,不论有无矩阵,如纺织品、复合材料和全色结构。这是我们早先的理论工作的计算延伸(Duong等人,2021年),它扩展了现有的Kirchhoff-love外壳理论,将原直纤维或弯曲纤维在平板内弯曲的阻力纳入其中。这种配方只需要移动自由度,才能捕捉所有提到的变形模式。为此,使用等色度形状功能是为了满足跨元素边界弯曲所需的$C$1的连续性。提议的配方可以接受广泛的材料模型,例如表面超弹性,不需要任何明确的厚度整合。为了处理纤维压缩可能造成的物质不稳定的问题,还添加了一种稳定度的模型。

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