This study undertakes the mathematical modelling and numerical analysis of dislocations within the framework of differential geometry. The fundamental configurations, i.e. reference, intermediate and current configurations, are expressed as the Riemann-Cartan manifold, which equips the Riemannian metric and Weitzenb\"ock connection. The torsion 2-form on the intermediate configuration is obtained through the Hodge duality of the dislocation density and the corresponding bundle isomorphism is subjected to the Helmholtz decomposition. This analysis introduces the boundary condition for plastic deformation. Cartan first structure equation and stress equilibrium equation are solved numerically using weak form variational expressions and isogeometric analysis. The numerical analysis carried out for this study reveals the distribution of plastic deformation fields around screw and edge dislocations for the first time. It also demonstrates stress fields around dislocations of which the distant fields show full agreement with the classical Volterra theory, while at the same time eliminating the singularity otherwise introduced at the dislocation by classical methods. The stress fields include several characteristic features due to the geometrical nonlinearity included therein. We also demonstrate that free surfaces affect both plastic and elastic deformation, but in different ways. The mathematical framework of this study is applicable to an arbitrary configuration of dislocations.


翻译:本研究在差分几何框架内对失调进行数学建模和数字分析。基本配置,即参考、中间和当前配置,以Riemann-Cartan 方块表示,该方块为Riemannian 度量和Weitzenb\"ock " 连接设备。中间配置的2型压力通过调离密度和相应的捆包的变形的Hodge双重性获得。本分析引入了塑料变形的边界条件。Cartan 第一结构方块和压力平衡方块用微弱的形式变异表达式和等色分析用数字方式解决。为本研究进行的数字分析首次揭示了螺旋体和边缘变形周围塑料变形场的分布情况。它还展示了偏僻场与古典的Volterra理论完全一致的变形周围压力领域,同时消除了古典方法在变形时引入的奇异性。压力字段包括了因其中所含的几何非直线性结构公式而导致的若干特征。我们还演示了这种可任意变形法的地表面的调整方法。

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