Naslov Finite Elements for Linear Analysis of Micropolar Continuum and the Relationship between the Linked Interpolation and Interpolations on Lie Groups in Linear Form
Naslov (engleski) Konačni elementi za linearnu analizu mikropolarnog kontinuuma te odnos vezane interpolacije i lineariziranih oblika interpolacija na Liejevim grupama
Autor Laura Grbac
Mentor Gordan Jelenić (mentor)
Član povjerenstva Dragan Ribarić (predsjednik povjerenstva)
Član povjerenstva Edita Papa Dukić (član povjerenstva)
Član povjerenstva Zdenko Tonković (član povjerenstva)
Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj Sveučilište u Rijeci Građevinski fakultet Rijeka
Datum i država obrane 2024-04-29, Hrvatska
Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana TEHNIČKE ZNANOSTI Građevinarstvo
Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana TEHNIČKE ZNANOSTI Temeljne tehničke znanosti Tehnička mehanika (mehanika krutih i deformabilnih tijela)
Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC ) 624/625 - Građevinarstvo. Građevinsko inženjerstvo i tehnika. Građevinska tehnika kopnenog prometa (ceste, željeznice)
Sažetak The core of this thesis lies in the micropolar (Cosserats’) theory of elasticity, developed as one of the possible generalisations of the classical (Cauchy’s) theory, in order to describe the behaviour of heterogeneous materials with a pronounced internal structure (microstructure), which the classical theory neglects. In addition to the standard displacement field, an additional independent microrotation field exists in the micropolar theory due to the consideration of the microstructure of the material, and to completely describe the behaviour of a linear-elastic isotropic and centrosymmetric micropolar material, the values of six micropolar material parameters must be known. However, due to the lack of a reliable and accepted methodology for their determination, the theory is still not widely applied in practice. Therefore, this research is conducted through two major phases in order to somehow contribute to the development of the necessary methodology. In the first part, a new family of finite elements of arbitrary order for the linear analysis of the micropolar continuum is presented, where the displacement field is interpolated by enhanced fixed-pole interpolation which arose from an investigated correlation between known interpolation schemes, originating from the analysis of geometrically exact 3D beams, highlighting here interpolations on Lie groups SE (3) – helicoidal interpolation and SR (6) – fixed-pole interpolation, in their linearised form, with a linked interpolation. The enhanced fixed-pole interpolation derived from this observed relationship represents a possible interpretation of the linked interpolation, which is widely used in the linear analysis of the Timoshenko beam, but is not sufficiently explored in the general micropolar continuum theory. Static and vibrational analyses of the micropolar continuum are conducted through several numerical examples, demonstrating improved efficiency of the newly developed finite elements compared to conventional elements. In the second part, the newly developed finite elements are used for the identification of micropolar material parameters by inverse analysis based on two specific experiments. The first experiment involved a four-point bending virtual experiment on perforated specimens, where the value of the coupling number, as one of the two existing micropolar parameters in 2D, is determined by inverse analysis. The second example investigates the discrepancy between the theoretically predicted stress concentration factor around a circular hole in a plate subjected to uniaxial tension and the experimental results. In pursuit of improved theoretical predictions, the application of micropolar theory is explored and a detailed methodology based on parametric and inverse analysis is presented for this purpose. However, it is demonstrated that there is no unique combination of micropolar parameters that simulates the experimental results for all tested specimens, and based on the conducted analysis, we indeed affirm that the micropolar theory is not suitable for materials with a very low-scale internal structure and can not predict the obtained experimental results.
Sažetak (engleski) Srž istraživanja ovog doktorskog rada je mikropolarna (Cosseratova) teorija elasticnosti razvijena kao jedna od mogucih generalizacija klasicne (Cauchyjeve) teorije s glavnom namjenom da opiše ponašanje heterogenih materijala s izraženom unutarnjom strukturom (mikrostrukturom) koju klasicna teorija zanemaruje. Uzimanjem u obzir mikrostrukture materijala, u mikropolarnoj teoriji uz standardno polje pomaka, postoji dodatno neovisno polje mikrorotacije te da bismo mogli u potpunosti opisati ponašanje linearno-elasticnog izotropnog i centrosimetricnog mikropolarnog materijala, moramo poznavati vrijednosti šest mikropolarnih materijalnih konstanti. Ipak, zbog nedostatka pouzdane i usvojene metodologije za njihovo odreivanje, teorija se još uvijek ne primjenjuje široko u praksi. Stoga je ovo istraživanje provedeno kroz dvije glavne etape kako bi se doprinijelo razvoju potrebne metodologije. U prvom dijelu je predstavljena nova familija konacnih elemenata proizvoljnog reda za linearnu analizu mikropolarnog kontinuuma kod kojih se polje pomaka interpolira poboljšanom fixed-pole interpolacijom, a koja je proizašla na temelju meusobne usporedbe nekih vec poznatih interpolacijskih shema cije je izvorište u analizi geometrijskih tocnih 3D greda s dobro poznatom interpolacijom. Ovdje su posebno istaknute interpolacije na Liejevim grupama SE(3) – helikoidalna interpolacija i SR(6) – fixed-pole interpolacija, u svom lineariziranom obliku. Ovako izvedena poboljšana fixed-pole interpolacija predstavlja varijantu vezane interpolacije koja se vec široko koristi u linearnoj teoriji Timošenkovih greda, no njena primjena nije dovoljno istražena na mikropolarnom kontinuumu. Provedena je potom staticka i vibracijska analiza mikropolarnog kontinuuma kroz nekoliko numerickih primjera, gdje je na temelju konvergencijskih krivulja pokazano poboljšanje primjene novo razvijenih konacnih elemenata u usporedbi sa konvencionalnim elementima. U drugom dijelu rada se novo razvijeni konacni elementi koriste za identifikaciju mikropolarnih materijalnih parametara inverznom analizom na temelju dva specificna eksperimenta. U prvom se provodi virtualni eksperiment na modelu perforiranih uzoraka za kojih se putem inverzne analize utvruje vrijednost jednog mikropolarnog parametra – faktora povezanosti. Drugi primjer razmatra razliku izmeu teorijskih rješenja faktora koncentracije naprezanja oko kružne rupe u ploci podvrgnutoj jednoosnom rastezanju sa eksperimentalnim rezultatima. Kao mogucu bolju teorijsku predikciju ispitujemo primjenu mikropolarne teorije za ciju je svrhu predstavljena detaljna metodologija temeljena na parametarskoj i inverznoj analizi. Meutim, pokazano je da ne postoji jedinstvena kombinacija mikropolarnih parametara koja simulira eksperimentalne rezultate za sve ispitane uzorke te na temelju provedene analize doista potvrujemo da mikropolarna teorija nije prikladna za materijale s unutarnjom struktruom na maloj skali.
Ključne riječi
Cosserat theory of elasticity
micropolar continuum
finite element method
fixed-pole concept
linked interpolation
interpolations on Lie groups
identification of micropolar parameters
inverse analysis
stress concentration factor
Ključne riječi (engleski)
Cosseratova teorija elasticnosti
mikropolarni kontinuum
metoda konačnih elemenata
koncept nepomicnog pola
vezana interpolacija
interpolacije na Lievim grupama
identifikacija mikropolarnih parametara
inverzna analiza
faktor koncentracije naprezanja
Jezik engleski
URN:NBN urn:nbn:hr:157:519227
Datum promocije 2024
Projekt Šifra: HRZZ-IP-2018-01-173 Naziv: Fixed-Pole Concept in Numerical Modelling of Cosserat Continuum Kratica: FIMCOS Voditelj: Gordan Jelenić Pravna nadležnost: Hrvatska Financijer: HRZZ
Studijski program Naziv: Stjecanje doktorata znanosti izvan doktorskog studija Vrsta studija: sveučilišni Stupanj studija: poslijediplomski doktorski Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti (dr. sc.)
URL zapisa u katalogu http://opak.crolib.hr/cgi-bin/unicat.cgi?form=D1581888046
Vrsta resursa Tekst
Opseg 162 str.; 31 cm
Način izrade datoteke Izvorno digitalna
Prava pristupa Otvoreni pristup
Uvjeti korištenja
Datum i vrijeme pohrane 2024-04-30 09:27:52