On a consistent finite-strain shell theory for incompressible hyperelastic materials

超弹性材料 壳体(结构) 压缩性 边值问题 有限元法 数学 数学分析 旋转对称性 球壳 经典力学 物理 几何学 机械 材料科学 热力学 复合材料
作者
Yuanyou Li,Hui–Hui Dai,Jiong Wang
出处
期刊:Mathematics and Mechanics of Solids [SAGE Publishing]
卷期号:24 (5): 1320-1339 被引量:10
标识
DOI:10.1177/1081286518787837
摘要

In this paper, a consistent finite-strain shell theory for incompressible hyperelastic materials is formulated. First, for a shell structure made of an incompressible material, the three-dimensional (3D) governing system is derived through the variational approach, which is composed of the mechanical field equation and the constraint equation. Then, series expansions of the independent variables are conducted about the bottom surface and along the thickness direction of the shell. The recursive relations of the coefficient functions in the series expansions can be derived from the original 3D governing system. Further from the top surface boundary condition, a 2D vector shell equation is obtained, which represents the local force-balance of a shell element. The associated edge boundary conditions are also proposed. It is verified that shell equation system is consistent with the 3D variational formulation. The weak formulation of the shell equation is established for future numerical calculations. To show the validity of the shell theory, the axisymmetric deformations of a spherical and a circular cylindrical shell made of incompressible neo-Hookean materials are studied. By comparing with the exact solutions, it is shown that the asymptotic solutions obtained from the shell theory attain the accuracy of O( h 2 ).
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