內(nèi)聚力模型的分析及有限元子程序開發(fā).pdf

1、內(nèi)聚力模型是彈塑性斷裂力學中一個被廣泛應用與研究的計算模型。內(nèi)聚力模型避免了線彈性斷裂力學中的裂紋尖端應力奇異性,計算了開裂過程中應力以及斷裂能。內(nèi)聚力模型提出在裂紋尖端存在微小的內(nèi)聚力區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)應力為開裂位移值的函數(shù),即為張力位移關系。在對內(nèi)聚力模型不斷研究中,發(fā)展出了不同張力位移關系,使其能被廣泛應用于各種韌性開裂、復合材料界面脫層以及粘接界面開裂等研究中。指數(shù)內(nèi)聚力模型具有非線性連續(xù)的張力位移關系,考慮了開裂過程中各向位移對應

2、力的耦合關系。研究證實,只有在其參數(shù)q等于1的條件下,各向應力關系才能完全耦合。本文提出了指數(shù)模型單向斷裂能計算公式,在各種參數(shù)條件下進行計算測試。其結果表明,在復合開裂條件下,當任一向應力首先減小為零時,其對應的單向斷裂能亦同時達到其臨界的最大值。有限元軟件ABAQUS中內(nèi)聚力單元僅包含雙線性內(nèi)聚力模型,其他類型內(nèi)聚力模型應用于ABAQUS時需通過子程序編譯來實現(xiàn)。
　　本文基于內(nèi)聚力單元,提出采用自定義材料子程序VUMAT編譯

3、內(nèi)聚力模型。推導了張力位移關系在VUMAT中的應用方法,并分別考慮線性與非線性內(nèi)聚力模型,設計了內(nèi)聚力模型VUMAT子程序的程序結構。編譯單向開裂條件下指數(shù)內(nèi)聚力模型VUMAT子程序,并與內(nèi)聚力單元包含的雙線性內(nèi)聚力模型計算結果進行比較,證明其能準確模擬界面單元的承載以及開裂失效過程。在對指數(shù)模型耦合關系研究的基礎上,采用單向斷裂能作為單元失效的判據(jù),編譯復合開裂條件下VUMAT子程序。將其應用于復合材料層板脫層模擬,與實驗測試值進行比

4、較,結果表明,通過設置合理的模型參數(shù),內(nèi)聚力模型VUMAT子程序能準確模擬計算裂紋的開裂萌生與擴展過程。
　　本文提出內(nèi)聚力模型VUMAT子程序方法,能為有限元分析中提供更豐富的內(nèi)聚力模型,并避免了其他子程序方法中計算收斂問題;通過提出單向斷裂能公式,拓展了指數(shù)模型在復合開裂模式中應用范圍,在此基礎上編譯其VUMAT子程序,實現(xiàn)了在ABAQUS中應用非線性的指數(shù)內(nèi)聚力模型計算界面開裂過程。感謝國家自然基金對本文研究工作的資助,本文