[发明专利]一种考虑复合材料参数三维各向异性非线性的有限元数值模拟方法

权利要求书

1.一种考虑复合材料参数三维各向异性非线性的有限元数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：利用ABAQUS子程序UMAT，调用主程序ABAQUS中当前迭代步下的积分点应力、应变与应变增量等参数；

步骤S2：根据上述读取的材料应力应变，利用基体材料应力应变关系式，计算出此时基体的弹性模量，同时带入复合材料的各向异性参数计算公式，计算出当前迭代步下的复合材料的各项异性参数；

步骤S3：由上述求得的当前迭代步下的各向异性参数，组装更新当前迭代步下复合材料的应力应变关系式；

步骤S4：根据步骤S1读取的应变增量，以及步骤S3得到的应力应变关系式，计算求解当前迭代步下的应力增量；

步骤S5：根据步骤S4中的应力增量，结合步骤S1中读取的数据，更新应力、应变，最终将更新的应力、应变、应变增量带入到主程序ABAQUS进行收敛测试；在迭代步中完成以上5个步骤后，将当前迭代步的计算结果在主程序ABAQUS中进行收敛测试，如果当前迭代步的结果收敛，则该增量步结束，进入到下一个增量步；否则继续到下一个迭代步，重复上述步骤S1-步骤S5，如果迭代次数超过主程序最大迭代次数，则终止计算。

2.根据权利要求1所述的有限元数值模拟方法，其特征在于：所述步骤S2中，基体材料应力应变关系式为下列公式：

由于管道整体结构在受力过程中，并不是只承受单一方向的荷载，因此按常规方法，读取单一方向的应变并不足以充分反应基体材料的整体应变变化，在此提出一个等效应变来描述当前载荷下基体的应变，从而方便后面更加准确的计算此时基体结构的弹性模量，等效应变公式如下：

式中ε₁，ε₂，ε₃，ε₁₂，为单元积分点在各个方向的应变；

根据上述公式计算出的等效应变，代入下列公式计算当前迭代步下的基体的弹性模量：

复合材料的各向异性参数计算公式如下所示：

E₁＝E_fV_fV₁+E_m(1-V_fV₁1)

等式左边(E₁，E₂，E₃，μ₁₂，μ₁₃，μ₂₃，G₁₂，G₁₃，G₂₃)为复合材料的各向异性弹性模量，右边包括纤维与基体的弹性模量(E_f，E_m)、泊松比(μ_f，μ_pe)、剪切模量(G_f，G_m)；V_f，V_m分别是纤维与基体在区域I中的体积比。V₁，V₂分别是区域I与区域II在整个复合材料层的体积。

3.根据权利要求1所述的有限元数值模拟方法，其特征在于：所述步骤S3中，通过如下公式组装更新当前迭代步下复合材料的应力应变关系式：

4.根据权利要求1所述的有限元数值模拟方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过如下公式计算求解当前迭代步下的应力增量：

dσ_i＝S^-1×dε_i。