The complicated mesoscopic configurations of composite plate and shell structures requires a huge amount of computational overhead for directly simulating their mechanical problems. In this paper, a unified high-order multi-scale method, which can effectively simulate the mechanical behavior and predict yield strength of composite plates and shells, is developed. Firstly, through the multiscale asymptotic analysis of multi-scale elastic equations in the orthogonal curvilinear coordinate system, a high-order multi-scale model is established, which can uniformly and effectively analyze the mechanical behavior of composite plate and shell structures. Moreover, the error estimation of the high-order multi-scale solutions is derived. Then, combining with the material strength theory, a high-order multi-scale model for the strength prediction of composite plate and shell structures is established. Next, based on the established high-order multi-scale model, a multi-scale algorithm is developed which can not only efficiently and accurately simulate the mechanical behaviors of composite plate and shell structures, but also predict their yield strength. Finally, the effectiveness of the established high-order multi-scale method is verified by extensive numerical experiments. The numerical experimental results indicate that the high-order multi-scale method can more accurately capture the meso-scale oscillatory behaviors of composite plate and shell structures. The unified high-order multi-scale method established in this paper is not only suitable for the prediction of mechanical properties of composite plate and shell structures, but also can be further extended to the prediction of multi-field coupling properties of composite plate and shell structures.


翻译:复合平板和壳体结构的复杂介观配置需要大量的计算开销来直接模拟它们的力学问题。本文开发了一种统一高阶多尺度方法,能够有效地模拟复合材料平板和壳体结构的力学行为并预测屈服强度。首先,通过正交曲线坐标系中多尺度弹性方程的多尺度渐近分析,建立了一种高阶多尺度模型,它可以统一而有效地分析复合材料平板和壳体结构的力学行为。此外,推导了高阶多尺度解的误差估计。然后,结合材料强度理论,建立了一种用于预测复合材料平板和壳体结构强度的高阶多尺度模型。接下来,基于建立的高阶多尺度模型,开发了一种多尺度算法,它不仅可以高效而准确地模拟复合材料平板和壳体结构的力学行为,还可以预测它们的屈服强度。最后,通过大量的数值实验验证了建立的高阶多尺度方法的有效性。数值实验结果表明,高阶多尺度方法可以更准确地捕捉复合材料平板和壳体结构的介观振荡行为。本文建立的统一高阶多尺度方法不仅适用于预测复合材料平板和壳体结构的力学性质,也可以进一步扩展到预测复合材料平板和壳体结构的多场耦合属性。

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