手搓TexGen—三维机织（2.5D）复合材料参数化网格生成技术

十分有必要研究的弹塑性初学材料力学就知道最常见的金属一般都是弹塑性的。所谓弹塑性，就是把材料性能划分成了两个阶段，前面的阶段是弹性，比较好理解，载荷与变形线性变化。后面塑性，就是指材料继续变形，但是载荷不往上走了，或者即便走也变慢了。而且即便完全卸载，第二个阶段的变形仍然会保留。材料如此，人亦如此，过度消耗是补不回来的。弹塑性材料有屈服强度这个概念，就是指进入塑性后，本来向上的曲线开始低头了，所谓之“屈服”。只要做结构强度方向，弹塑性几乎是个天天都能听到的词，以至于我对它毫无“敬畏之心”，总觉得这个玩意很简单。尤其是我研究生开始做复合材料力学以后，就觉得复合材料比金属高端多了。我们材料是各向异性的，刚度矩阵更复杂，我们还有蔡吴、蔡希尔、哈辛一堆“高级”失效准则，材料还可以分层失效，写到论文里面更好看，更别提失效因子、渐进损伤，总之就是牛掰。后来我第一次写弹塑性本构的时候，懵了。这玩意比我想象的要复杂得多。首先弹塑性这个问题并不简单，要想解释清楚它，需要从材料微观层面，了解晶体位错等等现象。甚至于到2011年，写这些问题的综述还能发一篇Nature。归根结底，我们并未完全研究透材料的弹塑性行为，以及相关的强度、韧性问题。即便就本构层面而言，弹塑性光一个塑性流动方向要想写出来就不容易，网上能看到一大堆公式，各种导数偏导数。问题是在UAMT/VUMAT里面是很难做这种偏导的，包括迭代数值计算，不是完全不能，而是写出来大概率各种报错，还不好调试找原因。在子程序里面，最稳妥的就是写加减乘除。那时候写弹塑性本构，对我理解子程序以及ABAQUS逻辑，起到了非常重要的作用。我的体会是，学写子程序，应该先写弹性，接着就写弹塑性，这样才能打好基础。像我当时属于是回头补课。在写弹塑性本构之前，我对塑性流动是干嘛用的没有直观概念。写的时候我才明白，由于只能先算出来等效塑性应变，没有流动方向的话，就无法把它转换到各个应变分量，不知道应变分量就无法计算应力。这玩意从数学上讲，是一个转换公式。我们目前重工业上大部分的结构材料还是金属，尽管ABAQUS中有自带的JC模型，但是如果要模拟更复杂的情况，学会写弹塑性本构就十分必要。本期就给一个弹塑性VUMAT拉伸失效的案例，结合单元删除技术，模拟结构破坏过程。弹塑性VUMAT拉伸失效案例本构模型采用经典老演员JC模型描述本案例的弹塑性本构：为了模拟结构破坏，采用如下准则判断单元完全失效，满足其一即可：（1）材料Mises应力达到极限值；（2）材料极限应变达到极限值。子程序结构子程序的基本结构如下：1.初始化准备工作程序首先进行初始化准备工作，读入材料的弹性参数、强度参数、硬化参数以及应变率相关参数，然后构建弹性刚度矩阵，为后续计算奠定基础。2.进入材料点循环接下来进入材料点循环，对每个积分点逐一进行计算。对于每个材料点，程序首先读取上一步的状态变量，包括累积的等效塑性应变、应力状态以及背应力等内部变量。3.失效判断程序随后进行失效判断，检查材料是否满足失效准则。判断依据包括两个方面：一是等效塑性应变是否超过极限应变阈值，二是等效应力是否达到破坏强度。一旦满足任一失效条件，程序将材料标记为失效状态，并大幅降低其刚度以模拟材料的承载能力丧失。4.本构响应计算阶段在本构响应计算阶段，程序考虑了应变率效应和材料硬化特性，更新当前的屈服应力。同时计算应力偏量，得到米塞斯等效应力和塑性流动方向，这些是判断材料是否屈服的关键参数。5.弹塑性判别然后进行弹塑性判别。将当前等效应力与更新后的屈服应力进行比较：若未达到屈服，材料表现为弹性响应，应变增量全部转化为弹性应变，应力通过弹性刚度矩阵直接计算得到。若超过屈服，材料进入塑性状态，此时需要计算塑性应变增量。程序根据屈服准则和流动法则，确定塑性应变的大小和方向，将总应变增量分解为弹性部分和塑性部分，然后用弹性应变计算更新后的应力。6.状态变量更新环节完成应力应变更新后，程序进入状态变量更新环节，更新等效塑性应变、塑性应变率、背应力等内部变量，这些变量将传递到下一时间步继续使用。程序还计算并存储材料的内能，用于能量平衡检查。7.循环处理处理完当前材料点后，程序继续循环处理下一个材料点，直至所有积分点计算完毕，最后返回主程序。测试模型在ABAQUS的PART模块，用回转体方法，创建一个哑铃形试验件，根据对称性，建立1/4模型。底部固定，顶部拉伸，内部面设置对称条件。为了加速计算进程，设置质量缩放。拉伸破坏过程随着载荷增加，试验件中间位置出现出现“颈缩”，变形达到一定程度，试验件断开。来源：静界有限元