功能梯度软管起皱的有限元模拟

作     者：赵芯 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周东

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：功能梯度材料 ABAQUS UMAT 超弹性材料 起皱 

摘      要：功能梯度材料属于复合材料的范畴,它将多种材料按照一定的规律结合,使其结构及力学性能按照一定的规律变化,从而实现对各个组分材料优点的综合利用,弥补了传统单质材料的缺陷。在已有关于功能梯度材料力学性能的研究中,大都是将线弹性材料作为其组分材料,通过有限元软件、实验及理论计算等方式对其力学性能进行研究,但在国内外研究中,少有研究将超弹性材料作为功能梯度材料的组分材料。对此,在本课题的研究中,将超弹性材料作为功能梯度材料的组分材料,并且基于该材料建立功能梯度软管二维平面模型,对其起皱行为进行有限元模拟。本文利用ABAQUS所提供的二次开发接口,对软件的材料库进行了扩充,以Neo-Hookean材料作为功能梯度材料的组分材料,在UMAT中实现对其本构模型的定义。然后基于该UMT子程序在ABAQUS中对功能梯度软管的起皱进行有限元模拟,并且通过改变材料和模型参数探究其对软管内壁自由表面起皱的影响。因此,本文的主要研究内容如下:(1)回顾超弹性材料本构理论,总结常用的超弹性材料本构模型,对常用超弹性材料的应变能密度函数、应力计算理论等进行简要介绍;(2)总结超弹性材料在ABAQUS软件中的实现方式,对比各种方式的优势与不足。选择Neo-Hookean模型作为本课题的研究对象,基于Neo-Hookean模型本构关系对其UMAT子程序进行开发,并验证所开发子程序的正确性。再结合功能梯度材料等效物性参数理论对超弹性功能梯度材料UMAT子程序进行开发,完善ABAQUS软件的材料库;(3)基于功能梯度材料UMAT子程序进行功能梯度软管起皱的有限元模拟,通过改变材料参数及模型参数探究其对功能梯度软管内壁起皱的影响,探究引起功能梯度软管内壁自由表面起皱的临界应变,同时定性分析材料参数及模型参数的改变对FGM软管内壁起皱形貌演化所造成的影响。本课题基于超弹材料本构理论开发了Neo-Hookean材料的UMAT子程序,并且验证了其正确性,在此基础上进行超弹性功能梯度材料UMAT子程序的开发,扩充了ABAQUS软件材料库。基于开发的超弹性功能梯度材料UMAT子程序模拟出了给定条件下功能梯度软管内壁的起皱,通过拟合初步得到功能梯度软管内壁自由表面起皱的径向临界应变值和环向临界应变值,同时发现功能梯度软管组分材料弹性模量比值的变化不会对功能梯度软管内壁起皱的径向临界应变值和环向临界应变值造成影响,而组分材料的泊松比变化会改变起皱的径向临界应变值和环向临界应变值。功能梯度软管半径、厚度、位移边界条件的改变同样会显著影响其内壁的起皱情况,导致内壁不起皱或有限元计算结果不收敛。