基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高,且性能稳定,在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析,基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型,据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料(UMAT)子程序;利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算,与实验结果的对比验证了计算结果的有效性;在SMA波纹板原始结构基础上,提出了SMA短带错落布置型新结构,并进行了数值模拟分析与验证;提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施,可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

SMA阻尼器的阻尼特性分析及器件设计方法

提出了SMA中心引线型阻尼器的力学计算模型，以Brinson本构模型为理论依据建立了阻尼器的阻尼特性分析理论及器件设计方法；利用MATLAB编制的仿真软件进行了实例仿真。结果表明SMA阻尼器具有明显的阻尼特性，加上其耐久性和免维护性，适合用于土木工程的结构振动被动控制。     

形状记忆合金纤维复合材料薄壁梁的主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型。基于变分渐进法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力（矩）与位移（转角）关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测。基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式。由本文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程。在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果。通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量与初始应变、驱动温度和复合材料铺层角的影响。     

各向同性超弹性本构模型数值计算及验证

现有多种形式的橡胶本构模型试图预测橡胶力学性质,其中部分模型已写入有限元软件中用于仿真计算,还存在较多拟合性较好的模型无法在有限元材料库中直接获得。本文详述了由不变量和主伸长率描写的各向同性超弹性本构模型的数值实现方法,并结合最新的本构模型开发了UHYPER和UMAT子程序。将UHYPER用于有限元实现对多孔橡胶板的拉伸仿真,对比仿真和试验结果,验证子程序的正确性以及评估本构模型预测复杂应变场的准确性;将UMAT用于单轴、等双轴和剪切拉伸的有限元仿真,对比仿真和本构模型理论结果,验证子程序的可靠性。结果表明,有限元仿真结果与理论结果拟合较好,子程序能够契合本构模型的力学描述,所述方法可以用于超弹性材料的数值计算。     

形状记忆合金混杂复合材料薄壁梁主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型.基于变分渐近法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测.基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式.由该文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程.在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果.通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量、驱动温度和复合材料铺层角的影响.     

一种修正的形状记忆合金本构模型数值算法及应用

采用Hughes-Winget算法修正了已有文献所发展的考虑塑性和相变耦合效应的形状记忆合金(SMA)本构模型的积分算法,使其能适用于发生较大转动变形的问题。据此编制了ABAQUS用户子程序UMAT,对SMA弹簧拉伸和"三点弯"等发生较大转动的问题进行了模拟。结果表明,修正算法可减小结构在发生较大转动变形时采用小变形本构模型计算带来的误差,提高计算过程的收敛速度与稳定性。采用本文的修正算法模拟了Ni Ti SMA的大变形拉伸伪弹性和塑性、SMA板的大挠度弯曲伪弹性和SMA弹簧的大变形拉伸伪弹性行为,结果与试验和其他研究者的计算结果吻合较好,证明了该修正算法的有效性。     

飞机风挡结构抗鸟撞一体化设计技术研究

结合大型非线性有限元分析软件，实践了飞机风挡结构由初步设计、数值仿真以及实验验证的一体化设计过程，建立了适于风挡结构材料的非线性黏弹性本构计算接口程序，对合理选取单元类型、材料模型、边界条件影响以及试验设计等工作细节进行了深入研究，通过实验与仿真计算结果的对比，验证了数值仿真计算模型的精度．为飞机风挡的抗鸟撞结构设计-数值仿真-实验验证一体化技术提供了支持论证．     

带尾翼的爆炸成形弹丸三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元程序对三点起爆的翻转型EFP形成过程及三个尾翼进行了数值模拟，结果表明：数值计算结果和实验结果吻合得较好，可为弹丸设计的改进和优化提供重要的参考依据。分别选择Johnson-Cook和Steinberg两种本构模型对药型罩材料进行了数值模拟对比，结果表明：药型罩材料的本构模型选取对形成的尾翼效果有一定的影响，Steinberg本构模型与试验结果符合得更好。     

循环硬化材料本构模型的隐式应力积分和有限元实现

针对新发展的、能够描述循环硬化行为应变幅值依赖性的粘塑性本构模型，讨论了它的数值实现方法。首先，为了能够对材料的循环棘轮行为（Ratcheting）和循环应力松弛现象进行描述，对已有的本构模型进行了改进；然后，在改进模型的基础上，建立了一个新的、全隐式应力积分算法，进而推导了相应的一致切线刚度（Consistent Tangent Modulus）矩阵的表达式；最后，通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将上述本构模型进行了有限元实现，并通过一些算例对一些构件的循环变形行为进行了有限元数值模拟，讨论了该类本构模型有限元实现的必要性和合理性。     

SMA本构模型及其应用的研究进展

形状记忆合金(SMA)是一类应用前景广阔的智能材料系统, 其最基本的宏观响应特性是在不同温度和应力条件下的相变超弹性和形状记忆特性.近年来, 形状记忆合金本构模型发展迅速, 其在工程结构振动控制领域中的研究和应用也得到了广泛地关注.与此同时, 许多学者将SMA用于当前迅速发展的智能材料结构,发展了一系列SMA复合材料本构模型, 成为目前SMA的应用研究的热点.本文针对形状记忆合金本构模型的发展状况, 首先回顾了近年来常用的和新发展的SMA本构模型, 并根据其包含的力学特点和基本理论将其进行了比较归类, 分析了各类模型特点和适用范围;其次从微/宏观角度介绍了有广阔应用前景的SMA智能复合材料的本构模型的发展状况;接着简要的综述了几类较为实用的SMA本构模型在实现结构的主/被控制、变形控制及结构裂纹诊断与控制等方面的应用现状.最后对目前本构模型的发展趋势、工程应用问题提出了一些看法和展望.      

形状记忆合金椭圆孔口问题的有限单元法

基于Lagoudas形状记忆合金(SMA)三维本构模型,假设材料为各向同性,推导了SMA平面应力状态的增量型本构方程,继而编写了ABAQUS用户自定义材料(UMAT)子程序,研究了在双向拉伸情况下,外载荷、温度、椭圆孔口长短轴之比对超弹性SMA椭圆孔口板中应力诱发马氏体相变区的影响。数值结果表明:应力诱发马氏体相变首先发生在椭圆孔口长轴端点部位,在外加载荷作用下逐渐扩展到板内,并由内向外形成马氏体相区、相变混合区和奥氏体相区;SMA板内应力诱发马氏体完全相变区面积与施加外载荷成正相关,与温度成负相关;随着椭圆孔口长短轴之比增大,SMA板内应力诱发马氏体完全相变区面积呈现出先减小后增大的趋势;拉应力差值相同时,相较于拉应力沿椭圆孔口长轴方向较大的情况,当拉应力沿椭圆孔口短轴方向较大时,SMA板内完全相变区面积较大,椭圆孔口周边应力集中现象更明显。     

Forming of aluminum alloys at elevated temperatures – Part 2: Numerical modeling and experimental verification

The temperature-dependent Barlat YLD96 anisotropic yield function developed previously [Forming of aluminum alloys at elevated temperatures – Part 1: Material characterization. Int. J. Plasticity, 2005a] was applied to the forming simulation of AA3003-H111 aluminum alloy sheets. The cutting-plane algorithm for the integration of a general class of elasto-plastic constitutive models was used to implement this yield function into the commercial FEM code LS-Dyna as a user material subroutine (UMAT). The temperature-dependent material model was used to simulate the coupled thermo-mechanical finite element analysis of the stamping of an aluminum sheet using a hemispherical punch under the pure stretch boundary condition. In order to evaluate the accuracy of the UMAT’s ability to predict both forming behavior and failure locations, simulation results were compared with experimental data performed at several elevated temperatures. Forming limit diagrams (FLDs) were developed for the AA3003-H111 at several elevated temperatures using the M-K model in order to predict the location of the failure in the numerical simulations. The favorable comparison found between the numerical and experimental data shows that a promising future exists for the development of more accurate temperature-dependent yield functions to apply to thermo-hydroforming process.     

An isotropic-plasticity-based constitutive model for martensitic reorientation and shape-memory effect in shape-memory alloys

In this work, we develop an isotropic-plasticity-based constitutive model for initially martensitic shape-memory alloys (SMA) which exhibit martensitic reorientation and the shape-memory effect. The constitutive model is then implemented in the [Abaqus reference manuals. 2006. Providence, R.I.] finite-element program by writing a user-material subroutine. The results from the constitutive model and numerical procedure are then compared to representative physical experiments conducted on polycrystalline rod and sheet Ti–Ni. The constitutive model and the numerical simulations are able to reproduce the stress–strain responses from these physical experiments to good accuracy. Finally, two different boundary value problems utilizing the one-way shape-memory effect are studied: (a) the deformation of an arterial stent, and (b) a micro-clamper. We show that our constitutive model can be used to model the response of the aforementioned boundary value examples.     

湿热环境对挖补修理后复合材料层合板振动特性的影响

通过对湿热环境下阶梯挖补胶接修理后碳纤维/双马树脂(T300/QY8911)层合板振动特性的分析,探究了挖补修理后碳纤维/双马树脂层合板在不同湿热效应下的振动特性。基于Mindlin-Reissner板理论与最小势能变分原理,在考虑湿热效应前提下,推导了正交各向异性复合材料层合板的本构关系及四边简支条件下的自由振动控制方程;其次,利用ABAQUS软件建立了三维黏弹性有限元挖补修理模型,应用Fortran语言将湿热耦合下的应力-应变本构关系编入UMAT二次开发文件中,采用三维八节点五自由度等参单元进行了离散。通过与参考文献对照,验证了胶接修理后T300/QY8911层合板有限元模型和编译的湿热环境下UMAT子程序的合理性与有效性。算例结果表明:湿热环境对挖补修理后层合板固有频率的影响比对完整层合板严重;温度对材料性能的影响大于湿度;相比于材料性能变化对振动特性的影响,湿热残余应力对胶接修理后层合板振动特性的影响占主导;参考环境下,胶接修理后层合板的固有频率增大;湿应力对层合板固有频率的影响大于热应力。     

构元组集模型对结构弹性损伤至断裂过程的描述及与内聚区模型的比较

结构的响应实质上是材料的响应,宏观结构损伤至断裂的发展过程也是材料性质不断演化的结果。构元组集模型从材料的微观物理变形机制出发,基于对泛函势理论和Cauchy-Born准则,抽象出两种构元——弹簧束构元和体积构元。在微观层次上,结构损伤和断裂的实质都是原子间键合力减弱和丧失的结果,而弹簧束构元是同一方向上的原子键的抽象,因此损伤可以通过弹簧束构元的响应曲线来反映。组集两种构元的响应,建立了材料的弹性损伤本构关系,从而能一致描述材料从弹性到损伤、破坏的发展过程。将构元组集模型的本构关系嵌入ABAQUS的用户材料单元子程序UMAT,实现对结构响应的数值模拟。本文模拟了包含中心预制裂纹三点弯曲梁的裂纹扩展过程,并与内聚区模型比较,给出了内聚区模型所假设的应力——位移关系曲线,并从材料损伤演化的角度对材料裂纹扩展过程做出了物理解释。     

一个反映土体复杂加卸荷路径的弹黏塑性模型

基于Perzyna 过应力理论,构造了一个土体各向异性弹黏塑性本构模型. 模型引入Wheeler 旋转硬化法则,能够较好的描述土体的初始各向异性和应力诱发各向异性. 借助ABAQUS 软件中UMAT 子程序接口,模型采用隐式积分算法——图形返回算法实现. 通过对一组复杂加卸荷路径的三轴不排水剪切试验(HKMD) 及一组分级加载三轴不排水蠕变试验(Sachville clay) 的模拟,表明本模型能够合理反映土体的率效应、应力松弛、蠕变及土体各向异性现象,验证了模型的有效性.     

基于内时大变形弹塑性本构模型的回弹和二次屈服分析

采用了一个由简单机构建立的材料热力学一致性弹塑性大变形本构模型，该模型满足热力学基本的不可逆约束条件，并考虑到了储存在残余微应力场中的能量，用相应的算法，编制了一个用户子程序UMAT，并将其嵌入到商用软件ABAQUS中，对圆柱形工件在弹性工具中镦粗和闭合模镦粗时的回弹和二次屈服进行了分析。比较模拟和实验所测得的载荷一位移关系，可以看出在镦粗的第一阶段发生塑性变形，工件在轴向加载过程中产生的横向变形受到了由于模具的弹性变形引起的径向约束，载荷迅速增加；第二阶段轴向压力减少，模具回弹使得工件的径向变形得以恢复，但随着塑性应变的增加，发生工作强化；第三阶段模具约束解除，工作的径向尺寸增加。用该本构模型对闭合模镦粗过程的计算，表明计算结果与实验结果是一致的。     

A plasticity and anisotropic damage model for plain concrete

A plastic-damage constitutive model for plain concrete is developed in this work. Anisotropic damage with a plasticity yield criterion and a damage criterion are introduced to be able to adequately describe the plastic and damage behavior of concrete. Moreover, in order to account for different effects under tensile and compressive loadings, two damage criteria are used: one for compression and a second for tension such that the total stress is decomposed into tensile and compressive components. Stiffness recovery caused by crack opening/closing is also incorporated. The strain equivalence hypothesis is used in deriving the constitutive equations such that the strains in the effective (undamaged) and damaged configurations are set equal. This leads to a decoupled algorithm for the effective stress computation and the damage evolution. It is also shown that the proposed constitutive relations comply with the laws of thermodynamics. A detailed numerical algorithm is coded using the user subroutine UMAT and then implemented in the advanced finite element program ABAQUS. The numerical simulations are shown for uniaxial and biaxial tension and compression. The results show very good correlation with the experimental data.