功能梯度材料弹塑性损伤耦合分析

论文摘要

随着科学技术的进步,由金属和陶瓷组成的功能梯度材料越来越受到人们的重视。功能梯度材料将金属的强度高,韧性好与陶瓷的耐高温、抗腐蚀的优点完美的结合到了一起,很大程度上满足了人们对材料的要求,因此对功能梯度材料的研究也越来越多。而在力学方面的多数的研究采用的是层叠结构,研究的基本内容也多数是断裂方面。而材料在断裂失效之前,材料内部的塑性损伤往往起着不可忽视的作用。因此本文采用了更加接近材料失效实际过程的损伤力学的方法对材料属性连续变化功能梯度材料进行了分析。有限元软件ABAQUS功能强大,特别适合处理非线性问题,而且它提供了若干个用户子程序接口,允许以代码的形式对ABAQUS主程序进行扩充。对于功能梯度材料ABAQUS并没有提供现成的材料属性,也没有提供适合本文的损伤本构模型。所以本文利用用户材料子程序UMAT接口对ABAQUS有限元软件进行二次开发。本文首先利用ABAQUS主程序对金属材料进行了弹塑性分析,并与UMAT程序对金属弹塑性分析的结果进行了比较,分析了UMAT子程序的可行性和可靠性。而后采用了更加实用的线性强化的塑性分析方法对一定梯度指数下的功能梯度材料进行了应力分析,并与层叠结构的分析结果进行了对比。对于功能梯度材料的弹塑性分析的整个过程均采用了,先单元后整体的分析过程,确保了分析的准确性。最后对功能梯度材料进行了弹塑性损伤耦合分析,对不同梯度指数下的损伤程度进行了模拟。本文所完成的工作扩大了ABAQUS在有限元分析中的应用范围,并为功能梯度材料的设计提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 功能梯度材料研究现状
• 1.2.1 功能梯度材料体分函数描述
• 1.2.2 功能梯度材料断裂的研究现状
• 1.2.3 损伤力学的发展
• 1.2.4 功能梯度材料损伤的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 损伤基本原理及演化方程
• 2.1 损伤基本原理
• 2.1.1 损伤变量
• 2.1.2 有效应力
• 2.1.3 应变等价原理
• 2.1.4 有效应力张量
• 2.1.5 损伤门槛值
• 2.1.6 损伤应变能释放率
• 2.2 损伤演化方程
• 2.3 本文所采用的损伤演化方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 功能梯度材料弹塑性分析
• 3.1 ABAQUS用户材料子程序概况
• 3.2 增量型塑性本构方程及刚度矩阵
• 3.3 程序的实现及验证
• 3.4 功能梯度材料的弹塑性分析
• 3.4.1 单元上的实现
• 3.4.2 整体上的实现
• 3.4.3 弹性和弹塑性设计分析对比
• 3.5 层叠结构与连续结构分析结果对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 弹塑性损伤本构方程及有限元实现
• 4.1 增量型损伤本构方程及刚度矩阵
• 4.1.1 增量型损伤本构方程
• 4.1.2 一致切线刚度矩阵
• 4.2 程序设计及实现
• 4.2.1 单元上的实现
• 4.2.2 整体上的实现
• 4.3 不同梯度指数的损伤对比
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢