基于VUMAT的钢管混凝土冲击数值模拟

在侧向撞击作用下,分析了钢管混凝土构件动态力学响应及不同混凝土动态本构模型适用性。文中基于ABAQUS软件分别采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)和欧洲混凝土协会规范动态增长因子(DIF)的动态本构模型。结果表明有限元结果与试验结果吻合度较好,验证了数值模型和二次开发的HJC材料子程序的准确性,HJC模型的VUMAT子程序能够用于受侧向冲击下的钢管混凝土构件的动态力学行为分析。

基于VUMAT方法的TBM滚刀破岩仿真与试验

针对隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,TBM）刀盘设计过程中的滚刀间距确定问题,基于ABAQUS平台,采用用户定义子程序（User Material Subroutine,VUMAT）方法,编制了考虑损伤断裂和混合强化的岩石本构模型,进行了滚刀破岩过程的仿真计算。通过回转切削破岩试验,验证了仿真模型。使用经过验证的仿真模型开展成组计算,研究了刀间距对滚刀破岩法向力、滚动力和比能的影响,发现法向力和滚动力随刀间距增大而线性增大,TBM切削硬质砂岩的最优刀间距介于70~80 mm之间。

基于VUMAT的钛合金切削仿真

钛合金切削是近年来的热门研究课题,针对切削过程中产生锯齿形切屑的问题,调用有限元分析软件ABAQUS的用户材料子程序VUMAT,结合弹塑性力学相关理论,并考虑材料温度和材料损伤过程,建立了JC(Johnson-Cook)本构关系。用拉伸和剪切模型验证子程序VUMAT的准确性,并通过调用子程序实现了钛合金Ti-6Al-4V的切削仿真。

基于VUMAT的三维裂纹动态扩展有限元模拟

文章基于ABAQUS/EXPLICIT平台的VUMAT接口,直接对材料积分点添加自定义本构方程和失效准则,开发了三维裂纹动态扩展子程序。在网格适当加密的情况下就能完成三维裂纹动态扩展模拟。在加载策略上选用适应性较强的增量法,直接在软件中通过增量步控制求解过程和收敛性,计算结果与试验结果一致。本文方法基于商业有限元软件ABAQUS,仅对材料本构方程和积分点失效进行编码,无需调整和重新划分网格,操作简单,计算效率高,适合推广到复杂的本构关系和大型工程模型。

基于VUMAT的海洋结构物撞冰行为数值仿真

对海洋结构物撞冰行为和冰载荷特性进行研究。基于ABAQUS通用有限元软件平台开发理想弹塑性冰材料VUMAT用户子程序;根据Tsai-Wu屈服准则和经验失效准则,采用完全隐式向后欧拉回映算法实现冰材料应力和应变的更新,并通过单个单元的压缩和拉伸试验验证该子程序的可行性。采用已开发的冰材料VUMAT子程序模拟刚性直立圆柱结构以不同速度撞击平整冰排,研究海冰的损伤过程,并分析碰撞速度对结构物承受冰载荷的影响。模拟刚性勺型破冰艏冲撞式破冰场景,并研究冰层厚度对冰载荷的影响。

基于VUMAT的复合材料层合板冲击损伤研究分析

在复合材料层合板受低能量冲击破坏机理研究基础上,提出了基于Tsai-Wu失效准则和试验数据设计VUMAT子程序建立复合材料的材料本构模型。开展了ABAQUS显示动力模块下基于VUMAT子程序复合材料有限元计算,并与冲击实验结果对比,验证了分析的可靠性。建立了一套在复合材料层合板的冲击损伤数值分析中的方法,为后续工程研究打下了基础。

基于VUMAT的先进高强度双相钢车身板的拉弯剪切断裂模拟

先进高强度双相钢在小半径拉弯成形中易发生剪切断裂。而传统的方法,如成形极限图(FLD),无法预测这种类型的断裂形式。将在岩土方面应用广泛的Mohr-Coulomb模型用来分析在拉伸弯曲过程中双相钢板的失效行为。基于ABAQUS/Explicit平台的用户材料子程序(VUMAT)接口,开发了基于Hill’48各向异性屈服准则的修正Mohr-Coulomb模型子程序,通过槽型件的拉伸弯曲算例,验证了子程序的正确性及有效性。分析结果表明,Hill’48-MMC模型可以预测先进高强度双相钢的剪切断裂。

二维饱和沉积盆地地震动响应非线性分析

沉积盆地对地震动具有明显的放大效应。利用ABAQUS软件及二次开发平台,编写了基于Davidenkov骨架曲线的VUMAT子程序,对饱和沉积盆地进行了非线性反应模拟。建立不同基岩面坡度的二维T型沉积盆地,输入4条不同频谱特性及幅值的近断层地震波,研究不同盆地基岩面坡度、饱和介质特性、地震波强度等因素对沉积盆地非线性反应规律的影响。研究结果表明,地震波作用可造成饱和沉积盆地发生局部液化,地震波强度越大,液化区分布范围越广,地表处出现了永久塑性变形;地震波强度的增大导致地表土层发生液化的时间提前,且下层土的液化会减弱地震波的传播速度,导致上层地表土发生液化的时间延后;盆地内地表最不利位置随着基岩面坡度的增大逐渐向中心处移动,不同工况下速度峰值放大系数为1.18~3.33。

碳纤维含量对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料弯曲性能和失效行为的影响

基于渐进损伤的VUMAT子程序,并引入了Johnson-Cook模型,通过Matlab生成了不同碳纤维占比的碳纤维增强聚醚醚酮(CFRP)复合材料,建立了三点弯曲有限元模型。通过分析应力—应变分布、载荷—位移曲线和吸收能—位移曲线得出以下结论:添加碳纤维有效改善了基体聚醚醚酮(PEEK)内部的应力—应变分布,显著提升了材料的力学性能、刚度和抗断裂性能。CFRP复合材料在三点弯曲过程中表现出更好的性能,能够承受明显的塑性变形,且有效避免裂纹扩展。此外,在相同位移载荷条件下,随着碳纤维含量增加,CFRP复合材料的位移逐渐减小。特别是在碳纤维质量分数为10%和20%的复合材料中,上表面和下表面的最大位移呈现出曲折的特点。结合应力—应变场的分布情况,这表明碳纤维的添加能有效提高材料的刚度和抗弯性能。

聚丙烯复合材料动态力学性能及本构表征

为研究聚丙烯(polypropylene,PP)复合材料的动态力学性能,进行了PP-TD20、PP+EPDM-TD20和PP-LGF203种材料在准静态和中应变率下的拉伸力学性能测试试验。试验结果表明,TD20和LGF20的加入分别将PP基体的强度极限提升约1倍和3.2倍,三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)在韧性方面起到显著增强作用,PP-TD20和PP+EPDM-TD20仍表现为韧性,而PP-LGF20改变为脆性材料。3种材料在弹性和塑性阶段均表现出较强的应变率敏感性,刚度、流动应力、屈服强度和强度极限随着应变率的增加而增大。采用修正的ZWT(Zhu-Wang-Tang)模型和修正的J-C(Johnson-Cook)模型构建几种材料的动态本构关系,识别模型参数,拟合的曲线与试验结果基本一致,表明这两种模型能够准确反映材料的动态力学行为。由修正的ZWT模型推广获得三维应力状态下的本构方程,编写VUMAT子程序,数值模拟得到的载荷-位移曲线与试验结果吻合较好,进一步表明了本构关系的有效性。

基于内聚力模型的气波机振荡管304对接钎焊接头拉伸强度研究

气波机核心部件振荡管采用钎焊连接,钎焊接头拉伸性能对气波机结构强度具有重要影响。为了对钎焊接头界面裂纹扩展过程进行探究,笔者针对气波机振荡管钎焊结构,制备304对接钎焊接头试样进行拉伸试验,并对拉伸断口进行形貌分析,断口处表现为韧性断裂;基于内聚力模型,开发了VUMAT子程序,进行了有限元模拟分析。模拟断裂载荷为5 039 N,试验值为5 242 N,2者误差为3.9%,验证了模拟的准确性,结果表明内聚力模型可以较好地模拟气波机振荡管钎焊接头的裂纹萌生与扩展过程。在此基础上研究焊缝缺陷对钎焊接头断裂载荷的影响,发现缺陷处内聚力单元损伤速率加快,引起断裂载荷显著下降。

复合材料Ω形加筋壁板低速冲击渐进损伤及剩余强度分析

研究复合材料Ω形加筋壁板结构在不同能量及位置的低速冲击作用下的渐进损伤及其冲击后剩余强度具有重要意义。通过编写VUMAT子程序,将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型中并与文献中试验进行对照,进一步研究不同冲击位置及不同冲击能量对于模型冲击载荷、渐进损伤及剩余强度的影响。结果表明,在加强筋中央位置处冲击对结构剩余强度影响最大;相同冲击位置处,冲击能量越大,结构损伤越严重,剩余强度越小。这为复合材料Ω形加筋壁板的结构设计提供了参考。

基于ABAQUS二次开发的Z型材滚弯回弹预测研究

为根据具体情况建立合适的非对称截面Z型材滚弯回弹本构模型,解决铝合金型材成形过程中波动性较强的问题以及滚弯成形件卸载后不可避免的回弹变形导致的滚弯成形件实际外形尺寸偏离几何设计要求的问题,通过综合考虑型材材料属性、截面几何特征和模型构建等因素,基于材料的各向同性弹塑性本构模型,采用VUMAT显式分析法对型材的动态本构模型进行了二次开发。通过将ABAQUS二次开发获得的回弹预测结果与实验数据、理论数据、内核处理数据和VUMAT子程序数据进行对比,预测了滚弯回弹半径。在相同目标成形半径下,回弹预测最大相对误差从3.34%减小到2.83%。

考虑单元网格尺寸影响的RTCL准则修正及应用研究

考虑单元网格尺寸对船体碰撞失效仿真结果的影响,开展拉伸试验与仿真,通过回归分析得到网格尺寸与失效应变的函数关系,基于该函数对RTCL失效准则进行修正并编写VUMAT子程序。最后开展多种应力状态下的拉伸试验与仿真,对比修正前后仿真结果可知:修正方法可有效降低不同应力状态下仿真的网格尺寸效应,其中对于中低应力三轴度状态的修正效果显著,对于高应力三轴度状态的修正效果稍差。

基于多尺度方法的复合材料加筋板极限强度分析

[目的]复合材料内部结构形式多样,深入分析组分材料的损伤机理可为复合材料加筋板的极限强度研究提供基础。[方法]首先,采用多尺度方法,对船用玻璃纤维增强塑料(GFRP)复合材料加筋板进行微观、细观和宏观的力学分析,建立短切毡(CSM)、机织粗纱(WR)材料的微观和细观代表性体积单元(RVE)模型;然后,通过微观和细观RVE模型均匀化,获得宏观等效刚度,并采用ABAQUS软件的子程序VUMAT编写复合材料渐进损伤演化模型,分别得到微观和细观模型的损伤演化机理及宏观单层板等效强度。[结果]结果显示,采用多尺度方法可以很好地评估得到复合材料的宏观力学性能;复合材料加筋板的宏观极限强度主要由纤维束的失效决定。[结论]经多尺度分析得到的宏观材料参数可以用于该材料铺层加筋板的极限强度计算,复合材料的细观力学参数化研究可为材料加工工艺影响研究提供分析手段。

基于内聚力模型的复合材料疲劳分层数值模拟

为了研究复合材料层合板在疲劳载荷下的分层扩展行为,本文基于内聚力本构模型提出一种改进的疲劳分层损伤速率计算模型;该模型只需要疲劳裂纹扩展速率Paris准则作为参数输入,无需进行裂纹尖端追踪或额外的参数拟合。基于所提出疲劳分层损伤算法,开发了复合材料疲劳分层VUMAT用户子程序植入ABAQUS/Explicit软件,并分别对复合材料单向层合板的Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ/Ⅱ混合型疲劳分层开裂过程开展了有限元数值模拟,结果表明该模型可以有效模拟疲劳载荷下复合材料层合板层间分层开裂。最后,对该模型进行了误差分析和网格敏感性分析,分析结果表明较长的疲劳内聚区长度可以明显提高该模型的计算精度。

拉伸载荷下开孔层合板的渐进损伤分析

建立拉伸开孔层合板的渐进损伤模型,研究层合板的失效模式,并分析了不同孔径对开孔层合板极限载荷的影响。通过编写VUMAT子程序将Hashin失效准则和材料退化模型加入渐进损伤分析中。首先将不同网格数量的开孔层合板模型的位移-载荷曲线和试验结果进行对照,然后将仿真分析得到的失效模式与试验结果进行对照,验证模型和选用的失效准则的正确性,最后研究了不同孔径对开孔层合板拉伸极限载荷的影响。结果表明:本文建立的渐进损伤模型能够较准确地预测层合板的位移-载荷曲线和失效模式,纤维拉伸失效首先发生在孔边,并沿着45°方向进行扩展,随着孔径的增大,开孔层合板的拉伸极限载荷逐渐减小,且下降速度首先呈线性下降,然后又逐渐增大。

基于内聚力模型的气波机振荡管T型钎焊接头峰值载荷分析

基于内聚力模型开发VUMAT子程序,用于气波机钎焊接头界面峰值载荷分析。根据拉伸剥离试验确定T型钎焊接头试样的临界内聚能,分析焊缝缺陷对峰值载荷的影响。结果表明:T型钎焊接头试样的临界内聚能为25 mJ/mm2。通过对焊缝缺陷模型的分析,发现峰值载荷随着焊缝缺陷长度的增加而减小,随焊缝缺陷沿x轴正方向位置[0 mm→5 mm→10 mm]逐渐增大。故为保证钎焊质量,焊缝缺陷不宜出现在T型钎焊接头试样前端部位。

基于ABAQUS的约束混凝土破坏特征数值仿真教学平台

数值仿真试验作为土木工程试验的一个重要手段,越来越多地应用于土木水利类研究生的教学体系。将ABAQUS数值模拟技术引入土木工程有限元课程中“约束混凝土破坏特征”的教学内容,通过Python语言二次开发,借助VUMAT单元删除功能,建立约束混凝土破坏试验参数化仿真系统,实现荷载作用下约束混凝土破坏全过程模拟。通过试验数据分析与模拟结果对比,验证了数值仿真平台的合理性。学生可以通过该平台的交互式窗口输入数据实现自动建模分析,丰富了课程教学内容,为今后的实验教学提供了新思路。

碳纤维增强复合材料双面埋头压铆模拟分析

铆接技术作为一种不可拆卸的连接方式,在飞机装配过程中被广泛使用,同时碳纤维增强复合材料由于自身优异的力学性能也成为了航空工业中热门。在碳纤维增强复合材料铆接的过程中,铆钉的变形会对铆接的碳纤维增强复合材料造成损伤,从而影响铆接的质量以及其使用寿命。针对这一问题,使用有限元仿真软件ABAQUS创建复合材料双面埋头压铆三维模型,通过ABAQUS子程序接口编写VUMAT用户材料自定义程序,分别取Hashin准则和Puck准则的优势作为三维失效准则,选用合理的刚度退化方式对压铆后的复合材料的渐进损伤进行分析。通过ABAQUS对复合材料压铆过程模拟,得到铆钉在压铆过程中的成形规律和复合材料层合板的主要损伤失效形式为基体的压缩和拉伸、纤维压缩以及其损伤失效的扩展方向。