We address the numerical simulation of periodic solids (phononic crystals) within the framework of couple stress elasticity. The additional terms in the elastic potential energy lead to dispersive behavior in shear waves, even in the absence of material periodicity. To study the bulk waves in these materials, we establish an action principle in the frequency domain and present a finite element formulation for the wave propagation problem related to couple stress theory subject to an extended set of Bloch-periodic boundary conditions. A major difference from the traditional finite element formulation for phononic crystals is the appearance of higher-order derivatives. We solve this problem with the use of a Lagrange-multiplier approach. After presenting the variational principle and general finite element treatment, we particularize it to the problem of finding dispersion relations in elastic bodies with periodic material properties. The resulting implementation is used to determine the dispersion curves for homogeneous and porous couple stress solids, in which the latter is found to exhibit an interesting bandgap structure.


翻译:我们在两个应力弹性的框架内处理周期性固体(硬体晶体)的数值模拟。弹性潜在能量中的附加条件导致剪切波的分散行为,即使没有材料周期。为了研究这些材料中的散状波,我们在频域中确立了一项行动原则,并提出了波波传播问题的有限元素配方,根据一系列广泛的布洛奇周期性边界条件,对波传播问题提出了若干项压力理论。与声波晶体传统的有限元素配方有重大区别的是高阶衍生物的外观。我们用拉格朗多动器的方法解决这个问题。在提出变异原理和一般的有限元素处理后,我们特别将之具体化为在具有周期性物质特性的弹性体中找到分散关系的问题。由此产生的实施用于确定同质和多孔性夫妇压力固体的分散曲线,发现后者展示一个有趣的带宽结构。

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