Geometrically nonlinear analysis of functionally graded materials using a solid-shell Cosserat point element

Xuhui Li

doi:10.1016/j.ijengsci.2026.104691

Geometrically nonlinear analysis of functionally graded materials using a solid-shell Cosserat point element

2026-10-12

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DOI：10.1016/j.ijengsci.2026.104691

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功能梯度材料（FGMs）是具有组分渐变和材料性能连续变化特征的先进复合材料，通常沿厚度方向变化。本文聚焦于基于Cosserat点理论的实体-壳单元对薄FGM结构的几何非线性分析。在Cosserat点框架内，单元响应由应变能函数支配，该函数分解为均匀和非均匀贡献。均匀分量以平均变形度量表示，而非均匀分量依赖于非均匀应变度量的二次项。引入一项附加耦合项以考虑FGM材料梯度引起的均匀与非均匀变形模式的相互作用。通过假设自然非均匀应变（ANIS）方法消除薄结构有限元分析中常见的锁定问题，该方法仅选择性修改点-wise Green-Lagrange应变张量的非均匀分量，并结合对非均匀应变能函数控制本构系数的适当确定。通过一系列基准测试验证了所提出的实体-壳单元的性能，确认其在有限变形下对薄FGM结构建模的准确性、鲁棒性及无锁定响应。

Keyword:

Solid-shell element

Functionally graded materials

Cosserat point theory

Large deformations

Geometrically nonlinear analysis of functionally graded materials using a solid-shell Cosserat point element

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