A general-purpose computational homogenization framework is proposed for the nonlinear dynamic analysis of membranes exhibiting complex microscale and/or mesoscale heterogeneity characterized by in-plane periodicity that cannot be effectively treated by a conventional method, such as woven fabrics. The framework is a generalization of the "finite element squared" (or FE2) method in which a localized portion of the periodic subscale structure is modeled using finite elements. The numerical solution of displacement driven problems involving this model can be adapted to the context of membranes by a variant of the Klinkel-Govindjee method[1] originally proposed for using finite strain, three-dimensional material models in beam and shell elements. This approach relies on numerical enforcement of the plane stress constraint and is enabled by the principle of frame invariance. Computational tractability is achieved by introducing a regression-based surrogate model informed by a physics-inspired training regimen in which FE$^2$ is utilized to simulate a variety of numerical experiments including uniaxial, biaxial and shear straining of a material coupon. Several alternative surrogate models are evaluated including an artificial neural network. The framework is demonstrated and validated for a realistic Mars landing application involving supersonic inflation of a parachute canopy made of woven fabric.


翻译:提议了一个通用的计算同质化框架,用于对显示复杂微规模和(或)中度异异质的薄膜进行非线性动态分析,其特点是机内周期的复杂微规模和(或)中度异质性,无法用诸如织布等常规方法加以有效处理。这个框架是“无限元素正方形”(或FE2)法的概括化方法,其中定期子规模结构的局部部分采用有限的元素来建模。这个模型引起的流离失所问题的数字解决办法可以通过Klinkel-Govindjee方法的变异[1] 来适应膜的背景。最初为使用有限菌株、射线和贝壳元素的三维材料模型而提出的这一方法依赖于平面压力限制的数值执行,并受框架变异性原则的推动。通过采用一个基于回归的超导力模型实现可调控性,该模型利用FE+2美元模拟各种数字实验,包括不亚轴、双轴和谢尔基质的磁带结构结构模型,这是经过验证的、模拟的磁舱结构结构结构模型。

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