[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

说明书

本发明提出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，利用ABAQUS子程序UMAT，在复合材料数值模拟过程中，对每一迭代步复合材料的各向异性参数进行计算更新，由此对复合材料在数值计算过程中各项异性参数的非线性做出模拟。本发明充分利用了有限元计算分析过程，将复合材料的有限元计算过程二次分解，对每一次迭代步计算的单元积分点的应力应变加以提取计算，由子程序不断计算更新每一次迭代步后材料属性的变化，包括弹性模量、泊松比等，弥补了目前数值模拟方法不能模拟复合材料的弹性参数在受力变形过程中出现各向异性非线性的缺陷。

技术领域

本发明属于复合材料的材料参数设置技术领域，具体涉及对复合材料进行的有限元数值模拟方法。

背景技术

随着科学技术的进步与发展，复合材料凭借其较高的强度-重量比、刚度-重量比、较好的抗疲劳性能与抗腐蚀性能，已经在很多领域开始崭露头角。目前在结构工程中使用复合材料的比例越来越高，各种各样的复合材料结构逐渐取代原先的钢材结构。但是研究表明，复合材料的材料参数以及力学性能远远比钢材更为复杂，材料参数的不稳定性造成了复合材料力学性能的不稳定。因此工程中在对复合材料结构进行有限元强度计算校核时，经常会高估复合材料的力学性能，给实际的工程应用带来隐患。再考虑到复合材料价格昂贵，因此对复合材料力学性能的高估，不仅会导致巨大工程隐患，更会造成不可估计的人员、财产损失。

目前对复合材料结构进行结构强度分析时，主要采用数值模拟法、实验法、理论法。实验方法仅仅是针对简单的复合材料，对其进行拉伸、弯曲、冲击等实验操作，并通过大量实验，总结实验数据，拟合出相对可靠的经验公式。理论方法目前大多针对结构简单、形状常规的物体，进行理论推导计算结构响应。数值模拟方法最为实用普遍，通过有限元软件建立复合材料模型，输入已知的材料参数对结构进行离散分析，该方法简单快捷，节约成本。

目前上述几种方法都考虑到了复合材料的弹性参数各向异性的特点，尤其是有限元方法，在操作软件可视化界面中可以方便的输入复合材料的各向异性参数。但是目前为止，现有的有限元数值模拟方法仅仅只能考虑固定的复合材料各向异性参数。然而在结构受力变化的过程中，复合材料的各向异性参数一直在随着组成材料弹性参数的变化而变化，若在模拟过程中忽略复合材料的各向异性参数也是非线性这一事实将极大影响有限元仿真结果最终准确性。

发明内容

针对现有对复合材料结构进行结构强度分析采用的有限元分析方法没有考虑复合材料的各向异性非线性的缺陷，提出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，其采用以下的技术方案实现的：

一种在复合材料有限元数值模拟过程中，考虑复合材料三维各向异性参数非线性的方法包括以下步骤：

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。