[發(fā)明專利]一種考慮復(fù)合材料參數(shù)三維各向異性非線性的有限元數(shù)值模擬方法

在審

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• 申請日: 2018-08-28
• 公開（公告）號: CN109117573A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王樹青;姚潞;何文濤;孟祥劍;張常友;魏慧賓
• 申請（專利權(quán)）人: 中國海洋大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 青島中天匯智知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37241
• 代理人: 劉曉

本發(fā)明提出一種考慮復(fù)合材料參數(shù)三維各向異性非線性的有限元數(shù)值模擬方法，利用ABAQUS子程序UMAT，在復(fù)合材料數(shù)值模擬過程中，對每一迭代步復(fù)合材料的各向異性參數(shù)進(jìn)行計算更新，由此對復(fù)合材料在數(shù)值計算過程中各項異性參數(shù)的非線性做出模擬。本發(fā)明充分利用了有限元計算分析過程，將復(fù)合材料的有限元計算過程二次分解，對每一次迭代步計算的單元積分點的應(yīng)力應(yīng)變加以提取計算，由子程序不斷計算更新每一次迭代步后材料屬性的變化，包括彈性模量、泊松比等，彌補(bǔ)了目前數(shù)值模擬方法不能模擬復(fù)合材料的彈性參數(shù)在受力變形過程中出現(xiàn)各向異性非線性的缺陷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料的材料參數(shù)設(shè)置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及對復(fù)合材料進(jìn)行的有限元數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，復(fù)合材料憑借其較高的強(qiáng)度-重量比、剛度-重量比、較好的抗疲勞性能與抗腐蝕性能，已經(jīng)在很多領(lǐng)域開始嶄露頭角。目前在結(jié)構(gòu)工程中使用復(fù)合材料的比例越來越高，各種各樣的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)逐漸取代原先的鋼材結(jié)構(gòu)。但是研究表明，復(fù)合材料的材料參數(shù)以及力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鋼材更為復(fù)雜，材料參數(shù)的不穩(wěn)定性造成了復(fù)合材料力學(xué)性能的不穩(wěn)定。因此工程中在對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度計算校核時，經(jīng)常會高估復(fù)合材料的力學(xué)性能，給實際的工程應(yīng)用帶來隱患。再考慮到復(fù)合材料價格昂貴，因此對復(fù)合材料力學(xué)性能的高估，不僅會導(dǎo)致巨大工程隱患，更會造成不可估計的人員、財產(chǎn)損失。

目前對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時，主要采用數(shù)值模擬法、實驗法、理論法。實驗方法僅僅是針對簡單的復(fù)合材料，對其進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊等實驗操作，并通過大量實驗，總結(jié)實驗數(shù)據(jù)，擬合出相對可靠的經(jīng)驗公式。理論方法目前大多針對結(jié)構(gòu)簡單、形狀常規(guī)的物體，進(jìn)行理論推導(dǎo)計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。數(shù)值模擬方法最為實用普遍，通過有限元軟件建立復(fù)合材料模型，輸入已知的材料參數(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散分析，該方法簡單快捷，節(jié)約成本。

目前上述幾種方法都考慮到了復(fù)合材料的彈性參數(shù)各向異性的特點，尤其是有限元方法，在操作軟件可視化界面中可以方便的輸入復(fù)合材料的各向異性參數(shù)。但是目前為止，現(xiàn)有的有限元數(shù)值模擬方法僅僅只能考慮固定的復(fù)合材料各向異性參數(shù)。然而在結(jié)構(gòu)受力變化的過程中，復(fù)合材料的各向異性參數(shù)一直在隨著組成材料彈性參數(shù)的變化而變化，若在模擬過程中忽略復(fù)合材料的各向異性參數(shù)也是非線性這一事實將極大影響有限元仿真結(jié)果最終準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析采用的有限元分析方法沒有考慮復(fù)合材料的各向異性非線性的缺陷，提出一種考慮復(fù)合材料參數(shù)三維各向異性非線性的有限元數(shù)值模擬方法，其采用以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種在復(fù)合材料有限元數(shù)值模擬過程中，考慮復(fù)合材料三維各向異性參數(shù)非線性的方法包括以下步驟：

步驟S1：利用ABAQUS子程序UMAT，調(diào)用主程序ABAQUS中當(dāng)前迭代步下的積分點應(yīng)力、應(yīng)變與應(yīng)變增量等參數(shù)；

步驟S2：根據(jù)上述讀取的材料應(yīng)力應(yīng)變，利用基體材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式，計算出此時基體的彈性模量，同時帶入復(fù)合材料的各向異性參數(shù)計算公式，計算出當(dāng)前迭代步下的復(fù)合材料的各項異性參數(shù)；

步驟S3：由上述求得的當(dāng)前迭代步下的各向異性參數(shù)，組裝更新當(dāng)前迭代步下復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式；

步驟S4：根據(jù)步驟S1讀取的應(yīng)變增量，以及步驟S3得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式，計算求解當(dāng)前迭代步下的應(yīng)力增量；

步驟S5：根據(jù)步驟S4中的應(yīng)力增量，結(jié)合步驟S1中讀取的數(shù)據(jù)，更新應(yīng)力、應(yīng)變，最終將更新的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變增量帶入到主程序ABAQUS進(jìn)行收斂測試；

在迭代步中完成以上5個步驟后，將當(dāng)前迭代步的計算結(jié)果在主程序ABAQUS中進(jìn)行收斂測試，如果當(dāng)前迭代步的結(jié)果收斂，則該增量步結(jié)束，進(jìn)入到下一個增量步；否則繼續(xù)到下一個迭代步，重復(fù)上述步驟S1-步驟S5，如果迭代次數(shù)超過主程序最大迭代次數(shù)，則終止計算。