基于ABAQUS軟件二次開發(fā)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)塑性損傷分析

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

低碳世界 2016年16期

王　成（貴州省畢節(jié)市公路處，貴州畢節(jié) 551700）

王成（貴州省畢節(jié)市公路處，貴州畢節(jié) 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(jié)構(gòu)的應(yīng)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(chǎn)生的地方，提前給與結(jié)構(gòu)保護(hù)和加固，有一定的實際意義。

結(jié)構(gòu)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(fù)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(jìn)行有效靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)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(jié)構(gòu)分析和熱分析外，還能進(jìn)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(zhì)量擴(kuò)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(fù)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(zhì)材料。

2　簡單結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)算例來說明基于ABAQUS軟件二次開發(fā)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)塑性損傷分析的過程和分析的效果。

所分析的簡單結(jié)構(gòu)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(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以在小孔附近應(yīng)該注意加密網(wǎng)格，為此，小孔為圓柱狀，其上下圓周劃分了50等分點，作為網(wǎng)格節(jié)點，用以加密小孔處網(wǎng)格，保證計算精度。

圖1　算例結(jié)構(gòu)的有限元模型

2.2計算結(jié)果及其與不考慮損傷的結(jié)構(gòu)分析結(jié)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(yīng)兩個程序分別修改. inp文件。并使用ABAQUS的COMMAND命令框調(diào)用UMAT程序和.inp文件進(jìn)行計算。即可得到考慮損傷和不考慮損傷兩種情況下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變。

可以發(fā)現(xiàn)使用考慮損傷和不考慮損傷兩種材料建立的結(jié)構(gòu)在120GPa均布壓力下，MISES應(yīng)力的整體分布情況是相同。首先由于結(jié)構(gòu)對稱，而且結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的中心沿著1、3方向畫線，Mises應(yīng)力的關(guān)于這兩條線分布對稱。其次，結(jié)果表面出現(xiàn)多層蝴蝶狀應(yīng)力分布。在圖3中，存在淡綠色的蝴蝶狀應(yīng)力分布，其應(yīng)力大小約為最大應(yīng)力60%。而在圖4中，出現(xiàn)3層蝴蝶應(yīng)力分布，其中約為最大應(yīng)力的73%，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的變形，小孔圓周嚴(yán)重變形，小孔左右兩邊壁上出現(xiàn)深灰色，最大應(yīng)力處如圖2所示。最大應(yīng)力點附近可以看到孔壁向結(jié)構(gòu)內(nèi)部收縮。

圖2　最大應(yīng)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(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

圖4　不考慮損傷塑性材料建立的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

由圖3～4可以對比發(fā)現(xiàn)，在同種荷載約束條件下，考慮損傷的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力明顯要低于考慮損傷時的應(yīng)力。因為，小孔應(yīng)力最大點附近，塑性變形比較大，當(dāng)塑性變形進(jìn)行到一定程度時（程序中設(shè)置等效塑性應(yīng)變達(dá)到0.0001時候），就會產(chǎn)生損傷，而損傷的產(chǎn)生，使得結(jié)構(gòu)承載能力，從而加快應(yīng)力的增加。

為了定量分析取出最大應(yīng)力點進(jìn)行研究，其單元編號為776，觀測該單元加載整個過程中的應(yīng)力，損傷等情況，并用表1表示。由表1可以看出，當(dāng)荷載達(dá)到最大值的時候，考慮損傷的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值是不考慮損傷的應(yīng)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(yīng)力與不考慮損傷應(yīng)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(yīng)力沒有達(dá)到200GPa，沒有出現(xiàn)塑性應(yīng)變，更不會有損傷，到了第11增量步，材料達(dá)到塑性，只要等效塑性應(yīng)變超過某個值，就會出現(xiàn)損傷，若考慮損傷應(yīng)力就會比不考慮的時候大。

表1　776號單元應(yīng)力損傷表

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

圖5　考慮損傷結(jié)構(gòu)的2方向正應(yīng)力云圖

為了了解該結(jié)構(gòu)在水平拉力荷載下?lián)p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(jié)構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)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(jié)構(gòu)的最大損傷（載荷為 120MPa）為0.320，離小孔左右邊緣越遠(yuǎn)，損傷逐漸變小。損傷形成的動態(tài)過程，首先是在小孔左右兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力比較大的點（如圖6），損傷不斷發(fā)展擴(kuò)大，然后在外邊緣出現(xiàn)應(yīng)力較大點（如圖 10），然后兩部分向一起發(fā)展，最終形成蝴蝶狀應(yīng)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(kuò)散的很快。這是因為當(dāng)塑性應(yīng)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(jīng)很大，承載能力很差，即使很小的外荷載都會產(chǎn)生很大的內(nèi)力，這樣損傷就會進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)展也更加快。也就是說損傷越大，損傷變化就越快，結(jié)構(gòu)就跟容易破壞。