基于ABAQUS软件二次开发实现结构塑性损伤分析

2016-08-12 06:23贵州省毕节市公路处贵州毕节551700

低碳世界 2016年16期

关键词：小孔云图塑性

王　成（贵州省毕节市公路处，贵州毕节 551700）

王成（贵州省毕节市公路处，贵州毕节 551700）

通过大型有限元软件ABAQUS所得出的材料模型可以使用到工程实际中去，而且所编写的程序不但可以画出考虑损伤结构的应力云图，还可以给出损伤值的云图，可以方便工程人员判断损伤最易产生的地方，提前给与结构保护和加固，有一定的实际意义。

结构损伤；弹塑性分析；ABAQUS软件；有限元

1　ABAQUS功能概述

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，它的运用范围比较广泛，从简单的线性到复杂的非线性问题都提供了一套完整而强大的有限元理论解决方案。ABAQUS除了能进行有效静态和准静态分析、模态分析、瞬态分析、接触分析、弹塑性分析、几何非线性、碰撞和冲击分析、屈服分析、断裂分析、疲劳和耐久性分析等结构分析和热分析外，还能进行流固耦合分析、热固耦合分析、声场和声固耦合分析、压电和热电耦合分析、质量扩散分析等。

ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。

2　简单结构算例的塑性损伤分析

2.1有限元模型建立

我们用一个简单的结构算例来说明基于ABAQUS软件二次开发实现的结构塑性损伤分析的过程和分析的效果。

所分析的简单结构是一个长 200mm、宽50mm、高为10mm长方体，中间有一个半径为10mm的圆柱状小孔，在计算机上建立有限元模型，如图1所示。注意图中所示1方向为宽度方向，2方向为高度方向，3方向为长度方向。

在图1所示，长方体一端受到3方向的完全约束，所有方向均被约束，另外一个方向分别施加120GPa的均布载荷。注意到小孔周围会出现应力集中现象，所以在小孔附近应该注意加密网格，为此，小孔为圆柱状，其上下圆周划分了50等分点，作为网格节点，用以加密小孔处网格，保证计算精度。

图1　算例结构的有限元模型

2.2计算结果及其与不考虑损伤的结构分析结果的对比

建模完成后，得到INPUT文件，将塑性材料和考虑损伤塑性的材料的UMAT子程序编写好后，对应两个程序分别修改. inp文件。并使用ABAQUS的COMMAND命令框调用UMAT程序和.inp文件进行计算。即可得到考虑损伤和不考虑损伤两种情况下，结构的应力应变。

可以发现使用考虑损伤和不考虑损伤两种材料建立的结构在120GPa均布压力下，MISES应力的整体分布情况是相同。首先由于结构对称，而且结构的一端施加约束，另外一端施加的力沿着3方向上的，因此，将约束反力计算出来后，则其大小与另外一端施加的荷载应该等大反向，用反力代替约束，则荷载也可以看成对称的。因此，从结构的中心沿着1、3方向画线，Mises应力的关于这两条线分布对称。其次，结果表面出现多层蝴蝶状应力分布。在图3中，存在淡绿色的蝴蝶状应力分布，其应力大小约为最大应力60%。而在图4中，出现3层蝴蝶应力分布，其中约为最大应力的73%，结构出现了明显的变形，小孔圆周严重变形，小孔左右两边壁上出现深灰色，最大应力处如图2所示。最大应力点附近可以看到孔壁向结构内部收缩。

图2　最大应力点即776号单元及相邻单元局部放大图

图3　考虑损伤塑性材料建立的结构的应力云图

图4　不考虑损伤塑性材料建立的结构的应力云图

由图3～4可以对比发现，在同种荷载约束条件下，考虑损伤的应力云图中，中间深色部分代表最大值，值大小为358.5GPa，而不考虑损伤的应力云图中，中间深色部分也代表最大值，但是大小只是238.2GPa，因此，不考虑损伤的应力明显要低于考虑损伤时的应力。因为，小孔应力最大点附近，塑性变形比较大，当塑性变形进行到一定程度时（程序中设置等效塑性应变达到0.0001时候），就会产生损伤，而损伤的产生，使得结构承载能力，从而加快应力的增加。

为了定量分析取出最大应力点进行研究，其单元编号为776，观测该单元加载整个过程中的应力，损伤等情况，并用表1表示。由表1可以看出，当荷载达到最大值的时候，考虑损伤的结构应力最大值是不考虑损伤的应力最大者的345.1/234.5= 1.47倍。而且加载力越大，损伤越大，考虑损伤时应力与不考虑损伤应力相差越大。在前面10个增量步中两者大小相等，因为前面应力没有达到200GPa，没有出现塑性应变，更不会有损伤，到了第11增量步，材料达到塑性，只要等效塑性应变超过某个值，就会出现损伤，若考虑损伤应力就会比不考虑的时候大。

表1　776号单元应力损伤表

虽然结构是立体单元，但是由于只是3方向受力，因此整体单元的应力应该以σ11、σ13、σ33这三个应力为主，其他方向上的应力应该比较小。

图5　考虑损伤结构的2方向正应力云图

为了了解该结构在水平拉力荷载下损伤的特点，尤其是损伤的变化过程，将每个增量步加载后可以得到一个损伤变量的D值云图组合起来得到损伤图（如图6～11所示）。为了保证结构不被破坏，故载荷最大为120MPa，为了得到快破坏时的损伤图，分别将载荷加到130MPa，135MPa，140MPa并取损伤图。由组图（如图6所示）可以看出，看出损伤分布情况大体与Mises应力状态总体相同：具有对称性而且可以看见蝴蝶状分布状损伤。损伤最厉害的在小孔左右两个方向，最大荷载时，结构的最大损伤（载荷为 120MPa）为0.320，离小孔左右边缘越远，损伤逐渐变小。损伤形成的动态过程，首先是在小孔左右两侧出现应力比较大的点（如图6），损伤不断发展扩大，然后在外边缘出现应力较大点（如图 10），然后两部分向一起发展，最终形成蝴蝶状应力（如图11）。而且由图10和图11以明显的观察到，荷载加的很小，但是损伤扩散的很快。这是因为当塑性应变越大时，损伤也大，因此，即使增加荷载很小时，由于损伤已经很大，承载能力很差，即使很小的外荷载都会产生很大的内力，这样损伤就会进一步发展，发展也更加快。也就是说损伤越大，损伤变化就越快，结构就跟容易破坏。