含损伤粘弹性本构及其在有限元分析中的实现

为研究固体发动机药柱的损伤粘弹性行为,针对一种耦合损伤的三维非线性粘弹性本构模型,采用积分算法对其进行了数值离散,导出了本构方程的增量有限元形式.针对该增量型本构方程对应的非线性方程组,建立了采用Newton-Raphson迭代法求解的应力更新方法,并基于Abaqus软件和Fortran语言开发了相应材料本构子程序,最后应用算例对所设计数值方法及程序进行了验证与分析.结果表明,本文有限元解与对应解析解吻合良好,保持了很高的精度,所设计方法及程序有效,可应用于实际型号发动机药柱损伤结构分析.     

各向异性Chaboche黏塑性本构方程隐式应力积分算法

针对各向异性Chaboche黏塑性本构方程,利用有效参数控制法推导了该方程的隐式积分算法,该算法把所有未知量都用同一个控制参数表示,并形成控制方程,从而把本构方程应力积分的问题转化成一个非线性控制方程的求解问题.该积分算法程序,与通用有限元软件Marc结合,通过单个单元对单向拉伸、循环、松弛的响应的实验数据进行了数值模拟,通过与显式算法对比,该隐式算法的稳定性和收敛性有所提高.构件的对比分析也表明隐式算法比显式算法具有较高的效率.      

粘塑性材料结构的有限元分析方法

本文针对Ｗａｌｋｅｒ粘塑性本构方程,通过发展一自适应变步长积分算法,用户子程序的方法把该本构方程结合进了国际著名的非线性有限元软件ＡＢＡＱＵＳ,并进行了算例验证。它包括了四种单元类型,可考虑材料变形的率相关,加载的循环、非等温、变温等情况。适用于发动机热端部件非线性结构分析。     

涡轮叶片的粘塑性分析

本文应用正交各向异性Walker统一粘塑性材料本构模型，通过用户子程序的方法把本构方程引入大型有限元分析软件MSC．MARC中，用该模型对某发动机涡轮叶片进行了热粘塑性分析。计算结果表明，应用Walker模型对各向异性构件进行热粘塑性分析是可行的。     

预浸机织织物的本构关系

 预浸机织织物是一种未固化的织物复合材料,其性质既不同于纯织物材料也不同于固化后的织物复合材料,具有独特的力学性质。根据连续介质力学的理论,结合预浸织物的非线性的黏弹性特性,从代数不变量出发,推导了预浸织物的本构方程。同时对描述预浸织物性能的像框剪切试验的步骤及方法做了阐述。通过像框剪切试验的结果与本构方程的对比,验证了本构方程的正确性,该方程较好地描述了预浸积物的性质。本构方程的导出为研究空间充气结构的静态、动态及热分析奠定了一定的理论基础。     

固体火箭发动机药柱热老化结构分析方法

为研究推进剂热老化过程中的发动机结构分析方法,建立了一种含老化效应的粘弹性本构模型,基于增量有限元法对该本构进行了数值离散,导出了本构方程的增量形式,并提出了应力更新方法;基于Abaqus软件二次开发技术,编写了相应材料子程序并开展了算例分析。结果表明,老化粘弹性本构可表征分析过程的材料老化影响;本文有限元解与对应解析解吻合良好,分析方法及算法程序有效,可用于三维条件下的固体发动机药柱老化粘弹性有限元分析。     

本构关系对连续介质损伤力学基本方程适定性的影响——一维弹性损伤情况

许多工程材料当变形超过某一极限时由于损伤都会出现应变软化行为。首先从非局部理论出发,推导了应变梯度损伤本构方程;然后利用一阶拟线性偏微分方程组的特征理论,在一维弹性损伤情况下分析了两种不同的本构模型,即 Kachanov损伤本构方程与应变梯度损伤本构方程,对连续介质损伤力学基本方程适定性的影响。结果表明,当损伤发展时,与 Kachanov损伤本构模型相关的连续介质损伤力学的基本方程是不适定的;而与应变梯度损伤本构模型相关的,则无论损伤是否发展,其基本方程始终是适定的。这说明在连续介质损伤力学的本构方程中必须考虑材料内部微结构的尺度效应。     

考虑温度效应的编织-嵌槽型金属橡胶准静态压缩本构模型

基于Sherwood-Frost本构方程,并结合材料的特点对考虑温度效应的编织-嵌槽型金属橡胶本构方程的组成及各项的表达形式进行了讨论及确定。根据准静态压缩试验得到的不同温度下编织-嵌槽型金属橡胶材料的试验数据,拟合了所构建本构方程中的参数,最后结合不同密度试件在不同温度下的试验数据,通过仿真对本构方程进行了验证。结果表明仿真结果与试验结果之间具有较好的一致性,所构建的本构方程基本可以满足对高温环境下编织-嵌槽型金属橡胶准静态本构关系的预估要求。     

处于非均匀温度场中含裂纹变厚度旋转盘的应力强度因子广义J积分解法

本文首先从直法线假设出发导出了处于非均匀温度场中变厚度各向同性钣元素本构方程并证明该方程与等厚度正交各向异性钣元素的本构方程相同。然后本文从上述本构方程出发,引用自由能与熵函数以及固体力学所有基本方程导出了与积分路径无关的广义J积分J_8,该广义J积分可用于处在非均匀温度场中的含裂纹变厚度旋转盘。最后本文应用这个广义J积分与有限元素法计算了涡轮盘应力强度.因子K_1并得到了令人满意的结果。     

基于Chaboche 理论的GH901 合金本构模型改进

为某型航空发动机涡轮盘损伤分析的需要,在涡轮盘材料GH901试件高温拉伸试验、低周疲劳试验、蠕变试验以及疲劳/蠕变交互作用试验基础上,分析Chaboche本构模型特点,基于涡轮盘实际使用中的变幅脉冲循环,将应变幅值记忆项引入Chaboche本构方程;通过已有试验结果,应用量子遗传算法优化得到改进的本构方程各参数。将本构方程计算结果与试验结果对比,证明改进的本构方程是合理的。     

针刺陶瓷基复合材料损伤本构模型及构件应力分析

基于连续介质损伤力学方法提出了适用于针刺陶瓷基复合材料的各向异性损伤本构模型.该模型考虑了拉伸与剪切损伤的影响.通过试验得到了材料的拉伸和剪切的应力-应变曲线,采用曲线拟合获得了本构模型的参数.应用用户子程序技术将本构模型写入商用有限元软件,计算所得拉伸和剪切的应力-应变曲线与试验曲线比较吻合,最大误差分别为5.62%和1.47%.使用该损伤本构模型及弹性模型计算了航空发动机尾喷管调节片在气动和温度载荷下的力学响应,两者计算所得应力分布相似,但损伤本构模型计算值明显小于弹性模型计算值.      

带热障涂层导向器叶片二维温度场及热应力分析

本文针对某型发动机带涂层导向器叶片在设计状态时的温度和应力分布进行了有限元分析与研究。陶瓷热障涂层的本构模型采用了先进的 Walker粘塑性本构理论 ,并在分析中考虑到了由于电子束物理起相沉积 ( EB-PVD)涂层柱状结构在结构分析时的处理方法。分析比较不同陶瓷隔热层厚度 ( 0 .2 5 ,0 .1 2 5 mm)、不同类型涂层 (等离子、EB-PVD)的隔热效果及应力分布情况。     

镍基单晶合金涡轮叶片蠕变分析的MARC用户子程序开发

基于通用有限元软件MARC开发了用于模拟单晶合金材料蠕变性能的用户子程序CRPLAW。该子程序采用经典Norton蠕变本构方程，可以模拟单晶材料在不同温度和不同取向下的蠕变性能。利用CRPLAW对镍基单晶叶片进行蠕变分析，得到了较为满意的结果。通过修改蠕变参数，CRPLAW也可以用来模拟其它晶体合金的蠕变性能。     

Mesh-dependence of Material with Softening Behavior

The issue of mesh-dependence emerges when the conventional continuum damage model is applied to handling the softening behavior. In order to circumvent the mesh-dependence, the non-local theory is introduced into the conventional damage model and the finite element formulas are derived for two-dimensional gradient-enhanced damage model. A new element is proposed in which the basic unknown quantities are displacement, non-local equivalent strain and the gradient of non-local equivalent strain. The element and constitutive equation proposed in this article are added to the finite element software ABAQUS through user subroutine UEL. Numerical results show that the gradient-enhanced damage model can eliminate the mesh-dependence and is effective for dealing with the issue of softening behavior.     

镍基单晶结构的蠕变损伤寿命研究

基于镍基单晶合金材质细观演化规律，提出了同时考虑筏化-解筏及夹杂空洞损伤机理的双参数蠕变损伤本构模型。该本构模型已编入ABAQUS的umat。单向应力状态试验表明它可以模拟镍基单晶结构材料的蠕变规律，特别是晶体取向相关性；利用双剪切和模拟单晶叶片蠕变试验对模型进行了考核，结果相当满意。进一步对单晶叶片的蠕变损伤寿命进行分析，叶片的三维取向优化，可以很大程度地提高叶片的蠕变寿命。     

Damage characteristics and constitutive modeling of the 2D C/SiC composite: Part Ⅱ–Material model and numerical implementation

In this work, a macroscopic non-linear constitutive model accounting for damage, inelastic strain and unilateral behavior is proposed for the 2D plain-woven C/Si C composite. A set of scalar damage variables and a new thermodynamic potential expression are introduced in the framework of continuum damage mechanics. In the deduced constitutive equations, the material's progressive damage deactivation behavior during the compression loading is described by a continuous function, and different deactivation rates under uniaxial and biaxial compression loadings are also considered. In damage evolution laws, the coupling effect among the damage modes and impediment effect of compression stress on the development of shear damage in different plane stress states are taken into account. Besides, the general plasticity theory is applied to describing the evolution of inelastic strain in tension and/or shear stress state. The Tsai–Wu failure criterion is adopted for strength analysis. Additionally, the material model is implemented as a user-defined material subroutine(UMAT) and linked to the ABAQUS finite element software, and its performance is demonstrated through several numerical examples.     

应用桥联理论与有限元模型的航空复合材料结构失效分析

桥联理论是一个近年来发展迅速的细观力学理论,它仅需纤维和基体材料的力学性能即可预报复合材料的响应。考虑基体应力集中系数与界面脱粘的影响后,大幅提高了复合材料破坏与强度的预报精确度。本文通过商业有限元（FE）软件ABAQUS的二次开发功能,将桥联模型的最新发展编写入UGENS子程序,并对复合材料单层板、层合板以及航空航天工业常见的T型接头复杂结构进行了有限元强度分析,并与实验结果进行对比,结果吻合良好。     

线搜索增强的率相关晶体塑性本构积分算法及数值实现

建立在晶体微观变形机制上的晶体塑性本构理论提供了研究细观尺度上晶体材料力学行为的理论与方法.在率相关晶体塑性本构积分方法中,Newton-Raphson(N-R)迭代方法往往是迭代求解剪切应变增量的核心算法.为了提高采用N-R迭代算法的晶体塑性本构积分方法的效率,在理论上采用线搜索方法对N-R迭代方法的迭代步长进行再规...