基于ABAQUS軟件二次開發實現結構塑性損傷分析

2016-08-12 06:23:03貴州省畢節市公路處貴州畢節551700

低碳世界 2016年16期

關鍵詞：方向有限元結構

王　成（貴州省畢節市公路處，貴州畢節 551700）

王成（貴州省畢節市公路處，貴州畢節 551700）

通過大型有限元軟件ABAQUS所得出的材料模型可以使用到工程實際中去，而且所編寫的程序不但可以畫出考慮損傷結構的應力云圖，還可以給出損傷值的云圖，可以方便工程人員判斷損傷最易產生的地方，提前給與結構保護和加固，有一定的實際意義。

結構損傷；彈塑性分析；ABAQUS軟件；有限元

1　ABAQUS功能概述

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，它的運用范圍比較廣泛，從簡單的線性到復雜的非線性問題都提供了一套完整而強大的有限元理論解決方案。ABAQUS除了能進行有效靜態和準靜態分析、模態分析、瞬態分析、接觸分析、彈塑性分析、幾何非線性、碰撞和沖擊分析、屈服分析、斷裂分析、疲勞和耐久性分析等結構分析和熱分析外，還能進行流固耦合分析、熱固耦合分析、聲場和聲固耦合分析、壓電和熱電耦合分析、質量擴散分析等。

ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質材料。

2　簡單結構算例的塑性損傷分析

2.1有限元模型建立

我們用一個簡單的結構算例來說明基于ABAQUS軟件二次開發實現的結構塑性損傷分析的過程和分析的效果。

所分析的簡單結構是一個長 200mm、寬50mm、高為10mm長方體，中間有一個半徑為10mm的圓柱狀小孔，在計算機上建立有限元模型，如圖1所示。注意圖中所示1方向為寬度方向，2方向為高度方向，3方向為長度方向。

在圖1所示，長方體一端受到3方向的完全約束，所有方向均被約束，另外一個方向分別施加120GPa的均布載荷。注意到小孔周圍會出現應力集中現象，所以在小孔附近應該注意加密網格，為此，小孔為圓柱狀，其上下圓周劃分了50等分點，作為網格節點，用以加密小孔處網格，保證計算精度。

圖1　算例結構的有限元模型

2.2計算結果及其與不考慮損傷的結構分析結果的對比

建模完成后，得到INPUT文件，將塑性材料和考慮損傷塑性的材料的UMAT子程序編寫好后，對應兩個程序分別修改. inp文件。并使用ABAQUS的COMMAND命令框調用UMAT程序和.inp文件進行計算。即可得到考慮損傷和不考慮損傷兩種情況下，結構的應力應變。

可以發現使用考慮損傷和不考慮損傷兩種材料建立的結構在120GPa均布壓力下，MISES應力的整體分布情況是相同。首先由于結構對稱，而且結構的一端施加約束，另外一端施加的力沿著3方向上的，因此，將約束反力計算出來后，則其大小與另外一端施加的荷載應該等大反向，用反力代替約束，則荷載也可以看成對稱的。因此，從結構的中心沿著1、3方向畫線，Mises應力的關于這兩條線分布對稱。其次，結果表面出現多層蝴蝶狀應力分布。在圖3中，存在淡綠色的蝴蝶狀應力分布，其應力大小約為最大應力60%。而在圖4中，出現3層蝴蝶應力分布，其中約為最大應力的73%，結構出現了明顯的變形，小孔圓周嚴重變形，小孔左右兩邊壁上出現深灰色，最大應力處如圖2所示。最大應力點附近可以看到孔壁向結構內部收縮。

圖2　最大應力點即776號單元及相鄰單元局部放大圖

圖3　考慮損傷塑性材料建立的結構的應力云圖

圖4　不考慮損傷塑性材料建立的結構的應力云圖

由圖3～4可以對比發現，在同種荷載約束條件下，考慮損傷的應力云圖中，中間深色部分代表最大值，值大小為358.5GPa，而不考慮損傷的應力云圖中，中間深色部分也代表最大值，但是大小只是238.2GPa，因此，不考慮損傷的應力明顯要低于考慮損傷時的應力。因為，小孔應力最大點附近，塑性變形比較大，當塑性變形進行到一定程度時（程序中設置等效塑性應變達到0.0001時候），就會產生損傷，而損傷的產生，使得結構承載能力，從而加快應力的增加。

為了定量分析取出最大應力點進行研究，其單元編號為776，觀測該單元加載整個過程中的應力，損傷等情況，并用表1表示。由表1可以看出，當荷載達到最大值的時候，考慮損傷的結構應力最大值是不考慮損傷的應力最大者的345.1/234.5= 1.47倍。而且加載力越大，損傷越大，考慮損傷時應力與不考慮損傷應力相差越大。在前面10個增量步中兩者大小相等，因為前面應力沒有達到200GPa，沒有出現塑性應變，更不會有損傷，到了第11增量步，材料達到塑性，只要等效塑性應變超過某個值，就會出現損傷，若考慮損傷應力就會比不考慮的時候大。

表1　776號單元應力損傷表

雖然結構是立體單元，但是由于只是3方向受力，因此整體單元的應力應該以σ11、σ13、σ33這三個應力為主，其他方向上的應力應該比較小。

圖5　考慮損傷結構的2方向正應力云圖

為了了解該結構在水平拉力荷載下損傷的特點，尤其是損傷的變化過程，將每個增量步加載后可以得到一個損傷變量的D值云圖組合起來得到損傷圖（如圖6～11所示）。為了保證結構不被破壞，故載荷最大為120MPa，為了得到快破壞時的損傷圖，分別將載荷加到130MPa，135MPa，140MPa并取損傷圖。由組圖（如圖6所示）可以看出，看出損傷分布情況大體與Mises應力狀態總體相同：具有對稱性而且可以看見蝴蝶狀分布狀損傷。損傷最厲害的在小孔左右兩個方向，最大荷載時，結構的最大損傷（載荷為 120MPa）為0.320，離小孔左右邊緣越遠，損傷逐漸變小。損傷形成的動態過程，首先是在小孔左右兩側出現應力比較大的點（如圖6），損傷不斷發展擴大，然后在外邊緣出現應力較大點（如圖 10），然后兩部分向一起發展，最終形成蝴蝶狀應力（如圖11）。而且由圖10和圖11以明顯的觀察到，荷載加的很小，但是損傷擴散的很快。這是因為當塑性應變越大時，損傷也大，因此，即使增加荷載很小時，由于損傷已經很大，承載能力很差，即使很小的外荷載都會產生很大的內力，這樣損傷就會進一步發展，發展也更加快。也就是說損傷越大，損傷變化就越快，結構就跟容易破壞。