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基于多孔粘弹性有限元本构模型的ABAQUS用户子程序开发
张亚
第二炮兵工程学院201室,西安,洪庆,710025
摘要:依据粘弹性力学理论和美国Illinois大学的F.Xu和Sofronis的研究成果,从线性粘弹性微分本构模型和虚应力原
理出发,推导出了含空穴缺陷的线粘弹性材料本构的传统积分表达式。至于其积分式中的prony级数,则在里面考虑了空穴率及
其增长的影响。根据测定的推进剂剪切松弛模量校正了复合固体推进剂在该多孔线粘弹性本构模型中的材料输入参数。基于此模
型编制相应的ABAQUS用户子程序(UMAT),将计算结果与单轴加载实验进行了比较,
关键词:粘弹性,多孔材料,用户自程序,固体推进剂
1引言
大型有限元分析软件ABAQUS具有强大的非线性求解能力和便捷的子程序接口及相应的二次开发功能,并
被广泛地应用于工程科学计算与分析中。在国外,ABAQUS在推进剂材料本构分析中应用研究非常普遍,并且
近年来在国内也开始得到关注与重视。ABAQUS中的用户材料子程序为用户提供了自定义材料本构模型的程序
接口,用户可通过Fortran或者VC编程来实现所要解决的工程科学问题中所需要的特定材料模型。在推进剂材料
领域中遇到了大量的材料非线性、几何非线性以及接触非线性等复杂问题。ABAQUS中现有材料库中对推进剂
材料的分析往往采取粘弹性分析和超弹性分析。推进剂制造、老化或长期贮存发生缓慢化学反应等过程中,在推
进剂中的颗粒周围都有可能会出现微观的空穴,此过程的演化将会造成颗粒和粘合剂的脱粘、推进剂的脱湿等,
并且在外载荷的作用下,此过程有加剧的趋势。因此,研究含空穴缺陷的线粘弹性本构方程十分必要。为此,本
文利用用户材料子程序(UMAT)接口添加并开发了多孔粘弹性有限元本构模型,以此对单轴拉伸试验进行了模拟,
通过与试验结果的对比分析验证了扩展后的软件和材料库的可靠性和合理性。
2本构方程
D为空心球形孔隙占分析物体的体积百分比,谓之孔隙率,是多孔材料损伤程度的一个重要的量化指标。在
实际过程中,D并不是一个常数。F.Xu和Sofronis等人考虑了复合固体推进剂的近似不可压缩性,提出如下比较
合理的影响控制方程:
D???DE?(1)
(1)
kk
拉普拉斯变换域内的多孔线黏弹性本构方程表达式为
3A2B
EΣΣδ(2)
m
K3K
式(2)中的应力偏量和平均应力的拉普拉斯变换形式可写成:
KKK
?????????
00
ΣE(sEE)E(3)
3A3As3As
KKK
Σ?E?(sE-E)+E(4)
00mvvvv
2B2Bs2Bs
其中,E?是应变偏量;
E?E,是体积应变。带上标“0”的物理量表示t=0时的值。
vkk
对式(3)和(4)求拉普拉斯反变换,并运用卷积公式得:
tdE?(t??)
?????
Σ()()E0(?)?(5)
tftfd
d?
0
dE(t??)
t
Σ(t)g(t)Eg(?)d?
???
0v
mv
d?
0
(6)
KK
其中,f(t)?L1(),g(t)L1()
???,L?1表示拉普拉斯反变换。通过拉普拉斯反变换后,f(t)和g(t)的表达式
3As2Bs
可写成如下形式:
f(t)?f?fe?t??fe?t??fe?t?(7)
//
12/
3
?123
g(t)?g?ge(8)
?t/?
g
?1
其中,
???;?和?都是D,?p,?v,K,?的复杂函数。f
?、f1、f2、f3、g?、g1和?g也都是D,?p,?v,K,?的123
复杂函数。
对式(5)和式(6),令u?t??,代入式(5)和式(6)得:
3
dE()
???????
tt
?(?)/
?????
Σ(t)fE(t)f[1e]d(9)
i
0i0
i?1
d?
??dE(?)
Σ(t)gE(t)g[1e]d?
?????(?)/
ttv
g
mv?
010
d
(10)
式(9)和式(10)便是多孔线黏弹性材料本构方程的遗传积分形式。式中,
f?f,
0(0)
g?g。
0(0)
为了方便将本构方程写入到程序中,需要对遗传积分形式的本构方程进行化简和处理。
首先,将应变率作线性化处理,即令
?E
E??,再就
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