Конечно-элементное моделирование эффективных свойств анизотропных упругих материалов со случайной наноразмерной пористостью

Представлен комплексный подход к определению эффективных свойств анизотропных пористых упругих материалов со стохастической наноразмерной структурой пористости, включающий метод эффективных модулей механики композитов, моделирование представительных объемов и метод конечных элементов. Наноразмерность пор вводится в постановку задачи путем использования модели Гуртина-Мурдоха поверхностных напряжений на границах материала с порами. Общая методология отыскания эффективных свойств пористой среды продемонстрирована на двухфазном композите со специальными условиями, налагаемыми на скачки напряжений на границах раздела фаз. Описаны постановки краевых задач и результирующие формулы для вычисления полного набора эффективных констант двухфазного композита с произвольными типами анизотропии фаз и поверхностных свойств; сформулированы обобщенные постановки и приведены конечно-элементные аппроксимации. Отмечается, что задачи гомогенизации среды решаются с помощью известного конечно-элементного программного обеспечения при выборе для учета поверхностных межфазных напряжений оболочечных конечных элементов с опциями мембранных напряжений. Показано, что процедуры гомогенизации пористых композитов с поверхностными напряжениями могут рассматриваться как частные случаи соответствующих процедур для двухфазных композитов с межфазными напряжениями при пренебрежимо малых модулях жесткости нановключений. Конкретная реализация обсуждаемого подхода выполнена в кончено-элементном программном комплексе ANSYS. Описан алгоритм автоматического нахождения межфазных границ и размещения на них оболочечных элементов, сохраняющий работоспособность при различных размерах представительных объемов, построенных в форме кубической решетки из гексаэдральных конечных элементов. Алгоритм апробирован на моделях пористого материала гексагональной сингонии, отличающихся друг от друга значениями поверхностных модулей, пористостью и количеством пор. Выявлено влияние величины площади межфазных границ на эффективные модули пористого материала наноразмерной структуры.