各向异性屈服准则的UMAT子程序二次开发研究

通过ABAQUS提供的UMAT子程序二次开发接口,结合完全隐式向后Euler图形返回算法,用Fortran语言编程,将Yld2004-18p各向异性屈服准则本构模型嵌入ABAQUS软件,并提出了一个通用的、柔性的本构模型二次开发结构模式。将Yld2004-18p屈服准则退化到Mises各向同性屈服准则,用于实例有限元分析,计算结果与ABAQUS自带的Mises屈服准则计算结果做比较,验证了二次开发过程的正确性,为后续嵌入更高级、更强健、更特殊的屈服准则提供研究思路和方法,使之用于精密塑性有限元分析。

基于Abaqus中UMAT的CF/EP复合材料损伤过程及强度分析

复合材料使用过程中难免受到冲击从而产生损伤,且外观难以发现,损伤的主要形式有基体裂纹、纤维断裂以及层间分层。其中,层间分层损伤和基体开裂是最常见也是最危险的破坏形式。本文使用了有限元软件分析研究复合材料层合板的冲击损伤过程,并对结果进行了可视化处理。

一种新的超弹性本构模型用户材料子程序开发

橡胶超弹性本构模型不仅可对橡胶在工程中的应用提供理论指导,还可进一步将本构关系写入有限元中用于仿真模拟。为此提出了一个新的超弹性本构模型,该模型能够较好地拟合三类拉伸实验数据,并基于所提出的本构模型开发ABAQUS用户材料子程序UMAT。将所开发的子程序用于三类拉伸实验有限元仿真,对比仿真结果和本构模型的理论值可以发现,两者间只存在细微误差,表明所开发的子程序能够契合本构模型的力学描述。

岩土弹塑性模型的回映算法及ABAQUS子程序开发

有限元法被广泛应用于各类岩土工程的数值分析中,为工程的过程分析和方案优化提供必要的计算支持。但岩土材料大多是弹塑性体,在进行有限元分析时,需要采用迭代方法对本构模型进行积分计算,以求出与实际边值问题相适应的应力场和位移场。一个优良的迭代方法可以加快数值收敛,得到更精确的计算成果。文章在前人的研究基础上,采用回映算法的数学原理,推导了岩土材料理想弹塑性模型有限元法的一般数值格式,并且将其应用于常用的D-P模型中,在ABAQUS有限元程序上进行了UMAT的二次开发。最后用一个数值算例验证了迭代算法的正确性。

抚顺西露天矿泥岩蠕变特性试验及介观模型研究

为研究抚顺西露天矿边坡中泥岩蠕变特征,利用ITZ-1型三轴剪切仪,采用陈氏分级加载法对抚顺西露天矿边坡中的岩样进行蠕变试验,获得岩样蠕变曲线。对试验数据进行数值拟合得到改进的Burgers模型基本参数,在ABAQUS有限元分析软件中对改进的Burgers模型二次开发编写UMAT子程序。通过Python脚本结合Voronoi多边形法建立岩石介观结构模型,模拟得出岩样蠕变曲线,分析试验蠕变曲线及数值模拟得出的介观尺度损伤。研究结果表明:抚顺西露天矿边坡中泥岩具有减速和等速蠕变阶段特性,岩石介观模型模拟所得蠕变结果与试验结果误差较小,泥岩中沿轴向生长的介观结构更易发生损伤、破坏。所建岩石介观模型可以更精确地模拟岩石介观结构特征,为工程实际中的岩石力学仿真模拟提供参考。

考虑地震应变率效应的木材单轴受压本构模型

地震作用下木结构的精细化分析应考虑木材的应变率效应.为确定地震应变率对木材单轴受压力学性能的影响,选取落叶松和樟子松两种木材,分别设计了横纹试件与顺纹试件,通过其在地震应变率10^(-3)s^(-1)、10-2 s^(-1)、10-1 s^(-1)和准静态应变率10^(-4)s^(-1)作用下的单轴受压试验,研究了木材应力-应变关系、破坏模式、弹性模量、抗压强度等的变化规律.结果表明:木材抗压强度、弹性模量的单轴受压地震应变率效应明显;随着地震应变率水平的增大,木材抗压强度提高更为显著.进一步建立了考虑地震应变率效应的木材单轴受压本构模型,编写了相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中.在此基础上,对木材进行了单轴受压数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了本构模型、UMAT子程序的正确性.研究成果可为木结构的抗震分析提供本构支持.

基于UMAT焊接接头力学性能连续变化的表征方法及应用

焊接接头的力学性能是影响其安全性评价的重要因素。为了能够在数值分析中准确地表征焊接接头力学性能不均匀分布规律,本工作利用有限元软件中的用户定义材料子程序(UMAT)建立了材料力学性能参数随空间坐标连续变化的焊接接头材料力学性能表征方法,解决了“三明治”焊接接头有限元模型分析中存在的材料力学性能突变问题。以高组配焊接接头为例,分析比较了含裂纹缺陷的“三明治”与连续过渡焊接接头有限元模型裂尖应力应变场分布的规律与特点。结果表明,连续过渡焊接接头有限元模型能够更为准确地表征材料力学性能不均匀分布规律,为焊接接头的力学性能分析与安全性评价提供了新的数值分析思路和方法。

考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型及其数值实现

木结构在服役过程中可能遭遇地震作用,木材表现出明显的地震应变率敏感性,需要建立考虑地震应变率效应的木材非线性本构模型。文章系统梳理已有研究中木材在不同地震应变率水平、不同纹理方向的试验结果,分析其不同纹理方向考虑应变率影响的强度与弹性模量绝对值统计规律性,建立木材考虑地震应变率效应的强度与弹性模量地震应变率影响系数表征模型。在此基础上,基于连续介质损伤力学建立考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型,编写相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中。采用所建立的弹塑性损伤本构模型对木材进行顺纹与横纹受压加载模拟,模型结果与试验结果吻合较好,验证了所建本构模型及UMAT子程序的正确性。研究成果可为木结构的抗震分析与评估提供更符合实际的本构模型支持。

基于互层岩体的非定常黏弹塑性蠕变模型及有限元分析

为研究互层岩体在考虑时效变形作用时的蠕变特性,提出了一种考虑应力、应变阈值的非定常黏弹塑性五元件模型。该模型能够同时描述岩体的瞬时弹性应变、黏弹性蠕变、线性黏塑性蠕变和非线性黏塑性蠕变(加速蠕变),推导得出了其在三维应力状态下的蠕变方程;基于ABAQUS有限元软件完成了UMAT子程序的研发,并通过对比岩体的室内蠕变试验与该模型数值模拟结果来验证模型的适用性。结果表明:蠕变试验结果与数值计算结果相吻合,非定常黏弹塑性模型不仅可以精确描述减速蠕变和稳态蠕变过程,还可以较好地描述岩体的加速蠕变过程,从而验证了该模型的适用性与有效性。

珊瑚砂颗粒破碎本构模型构建研究

颗粒破碎是珊瑚砂区别与其他土体的显著特征,文章从珊瑚砂等向压缩试验出发,引入统一硬化参数和考虑颗粒破碎的状态参量,分析珊瑚砂硬化规律;在修正剑桥模型框架下,构建形状参数以反映颗粒破碎和密实度对珊瑚砂屈服面的影响,继而建立了一个能够考虑颗粒破碎和初始孔隙比的珊瑚砂弹塑性本构模型,并通过与试验数据进行对比,验证了此本构模型的合理性;采用半隐式应力积分算法将所建立的模型进行了UMAT子程序开发,通过与模型计算结果对比后数据吻合良好,验证了此子程序的准确性。

Von Mises屈服准则雅可比矩阵的显式表达及收敛性分析

增量塑性理论中,雅可比矩阵是描述材料应力增量-应变增量关系的矩阵,是有限元程序编译的重点。现有商用有限元软件常采用隐式表达形式编译,因变量与自变量之间的函数关系体现不直观。本文基于弹塑性力学理论,推导了Von Mises屈服准则雅可比矩阵的显式表达。采用Fortran计算机语言编写了UMAT子程序与ABAQUS软件联立求解。通过实例与隐式表达的计算对比,显式表达的计算精度与隐式表达一致,计算收敛性较好。由弹塑性雅可比矩阵的一般形式推导出的Von Mises屈服准则的显式表达雅可比矩阵,力学概念清晰,也便于程序编译。

基于ABAQUS平台的四渡河悬索桥隧道锚围岩稳定性分析

隧道锚在实际工程中应用不多，目前对其稳定性的研究相对较少。基于大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS的计算平台，利用该软件提供的用户材料子程序UMAT接口，将基于Rankine准则的Mohr-Coulomb模型添入ABAQUS中，采用Foamn语言开发了接口程序，并在此基础上对四渡河悬索桥隧道锚进行二维弹塑性有限元分析，计算了初始地应力场，模拟了隧道锚与公路隧道的新奥法施工过程，并考虑了开挖过程中隧洞周边接触软弱层的形成。将锚碇围岩的稳定性和锚固系统的整体安全度作为主要研究内容，其计算结果和长江科学院采用FLAC3D的分析结果比较，二者具有一致性。研究结果表明，所研制的接口程序开发思路正确，计算精度满足要求，所完成的工作为隧道锚设计提供了依据，具有相当重要的工程价值。

土体边界面模型在ABAQUS软件中的研发与验证

天然土体一般都处于偏压固结状态,存在着初始各向异性.即使是等压固结土体,在其后的偏压加载过程中,也会产生应力诱发各向异性.土体各向异性对其强度、变形及屈服面倾向都会产生影响.Wheeler弹塑性模型采用旋转硬化来描述土体的各向异性.在Wheeler模型的基础上,结合边界面理论,将Wheeler模型拓展为各向异性边界面模型.模型采用ABAQUS软件的UMAT子程序接口,通过隐式积分算法(图形返回算法)编程实现.采用本模型对高岭土三轴不排水剪切试验进行了模拟,并与试验结果作了对比验证.结果表明:模型能够合理描述具有初始各向异性土体的应力应变行为、孔压曲线及应力路径,并能反映偏压加载下的应力诱发各向异性;模型既可适用于模拟正常固结土,也适用于对中等超固结土的模拟.

各向异性弹黏塑性模型在ABAQUS中的研发

通过将Perzyna过应力理论与临界状态理论相结合,并引入Wheeler旋转硬化法则,提出一个能描述土体初始各向异性及应力诱发各向异性的三维弹黏塑性本构模型。模型考虑流变发生的下限,在三维应力空间,模型存在形状相似的静屈服面及动态加载面。采用缩放形式的幂函数。本构模型数值算法采用回映算法,借助ABAQUS软件UMAT子程序接口实现。并通过对三轴不排水蠕变试验的模拟,确定合适的积分步长。此后,分别对三轴不排水蠕变试验及常应变率三轴不排水剪切试验进行了模拟。模拟中通过设置不同参数值,可将模型退化为各向同性模型,并对这两种模拟结果进行了比较。模拟结果表明:(1)对于三轴不排水蠕变,在低剪应力水平下,各向同性模型和各向异性模型模拟的结果相差不大,而在高剪应力水平下,各向异性模型模拟结果更接近试验结果;(2)对于常应变率加载试验的模拟,模型合理反映了土体不排水强度随着加载速率的增大而增大现象。

基于不可逆热力学的Ni-Ti合金动态本构模型及其有限元实现

为了准确描述Ni-Ti形状记忆合金在高应变率下的动态压缩力学行为,基于不可逆热力学理论框架假定了两个内变量表征Ni-Ti合金应力诱发马氏体相变与塑性屈服的不可逆变形过程,分别推导了马氏体相变与塑性屈服演化规律的主控方程,构建了Ni-Ti合金的三维动态本构模型。根据材料单轴动态压缩实验的应力-应变曲线并采用最小二乘法对本构参数进行了优化识别,然后采用应力补偿更新算法,通过隐式用户子程序接口UMAT将动态本构模型嵌入ABAQUS有限元软件,实现了Ni-Ti合金在高应变率下动态压缩力学行为的数值模拟。通过比对发现,模拟结果与实验数据吻合良好,验证了动态本构模型与UMAT子程序的准确性。本工作为Ni-Ti合金在高速冲击、切削等极端条件下的工程应用奠定了基础。

金属材料宽应变率下动态本构模型及其扩展有限元应用

为了准确描述金属材料在各类动荷载下的力学行为,基于金属流变应力在不同应变率范围内的不同函数表现形式,采用开关函数反映金属宽应变率强化效应差异,考虑应变硬化效应与绝热温升影响相互耦合,结合多种金属材料在不同应变率下的试验数据进行拟合分析,发展了一种动态本构统一方程JC-CS模型。通过UMAT用户子程序,将新模型导入ABAQUS有限元分析软件中预测不同应变率下的金属动态应力应变关系,并基于此进行动态正弦荷载下的金属裂纹扩展分析。研究结果表明,新构建模型的数值模拟本构曲线与试验数据吻合良好,且能结合扩展有限元在ABAQUS动态隐式环境中使用,为准确描述金属在动荷载作用下的力学行为提供了一种工程应用分析模型。

各向异性非线性随动硬化本构模型的建立及应用

基于平面应力假设,采用HILL48各向异性屈服准则和A-F非线性随动硬化模型及塑性流动法则建立一种各向异性非线性随动硬化本构模型。运用向后欧拉回映算法,通过Fortran语言编写UMAT子程序,将该本构模型嵌入到ABAQUS软件中。以板料经过拉深筋的循环加载问题为研究对象,利用开发的本构模型、ABAQUS软件中的各向同性屈服及随动硬化模型对板料经过拉深筋的变形过程进行数值模拟分析,得到切向应力-应变循环变化曲线。对比试验结果,开发的弹塑性本构模型的计算精度更高,验证了所建本构模型的有效性,该模型可以应用于板料反向加载变形行为研究。

湿热环境下平纹编织面板蜂窝夹芯板的渐进损伤分析

为了研究侧向压缩载荷下单侧面板含穿孔的平纹编织面板蜂窝夹芯板的损伤行为,建立考虑湿热效应的渐进损伤模型。编写UMAT子程序将考虑湿热效应的本构关系、温度变化对材料属性的影响、选用的失效准则和刚度退化模型加入到考虑湿热效应的渐进损伤分析中。将模型在25℃、0吸湿量条件下预测的位移-载荷曲线及失效形式与实验进行对照,以验证建立模型的正确性。进一步在5个温度和5个湿度下研究湿热效应对受侧向压缩载荷的蜂窝夹芯板承载强度的影响。结果表明,建立的模型可有效预测损伤的扩展过程和湿热环境对蜂窝板性能的影响,随着温度和湿度的增加,蜂窝板的承载强度逐渐下降。

一个反映土体复杂加卸荷路径的弹黏塑性模型

基于Perzyna过应力理论,构造了一个土体各向异性弹黏塑性本构模型.模型引入Wheeler旋转硬化法则,能够较好的描述土体的初始各向异性和应力诱发各向异性.借助ABAQUS软件中UMAT子程序接口,模型采用隐式积分算法——图形返回算法实现.通过对一组复杂加卸荷路径的三轴不排水剪切试验(HKMD)及一组分级加载三轴不排水蠕变试验(Sachville clay)的模拟,表明本模型能够合理反映土体的率效应、应力松弛、蠕变及土体各向异性现象,验证了模型的有效性.

基于ABAQUS的弹脆塑性本构模型二次开发及其应用

在复杂应力状态下,大理岩、花岗岩等脆性岩石呈弹脆塑性破坏形式。利用ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT的二次开发平台,编制完成了基于D-P准则的弹脆塑性模型的UMAT接口程序。论文简要介绍了ABAQUS有限元软件及其UMAT用户材料子程序,重点对基于D-P屈服准则的弹脆塑性本构模型的应力跌落公式进行了推导,并讨论了有关的应力更新算法。最后应用该程序对某引水隧洞工程进行了数值分析,并与理想弹塑性情况下的计算结果进行对比研究。结果表明:与理想弹塑性模型相比,弹脆塑性模型得到的洞周围岩变形和塑性区范围较大,与实际情况更为接近。