ABAQUS在反复加载卸载应力应变计算说明

ABAQUS反复加载卸载应力应变计算说明1、塑性模型采用ArmstrongandFrederickmodel(AF模型)[1]（1）屈服准则（Mises屈服）屈服函数为2)~~(:)~~(23YssF式中：s~为应力偏量，~为总背应力，Y为屈服极限（2）流动准则（theassociatedflowrule）~~Fp式中：p~为塑性应变对时间的微分，为待定量[2]，~为应力张量（3）硬化准则1phiipii)()()()(~~32~式中：)(~i为背应力分量对时间的微分；)(ih，)(i为材料常数为已知量，p为等效塑性应变对时间的微分。2)1()(1)(0pMiiierYY式中：Y为对应于等效塑性应变p的屈服极限，0Y为初始屈服极限为已知量，)(ir为材料常数为已知量。2、反复加载卸载应力应变计算过程说明假设在受载前，物体的初始应力、应变以及背应力均为零2.1加载过程计算1外力不足以使得物体中的任何一点的Mises应力值大于屈服极限此时：塑性应变、背应力均保持为零，屈服极限保持不变。应力由eeD~:~~~计算，总应变值等于弹性应变。2外力使得物体中的任何一点的Mises应力值大于屈服极限为了说明ABAQUS是如何确定应变增量1~n，有必要对ABAQUS求解材料非线性问题进行简单介绍[3]。ABAQUS首先将载荷分为若干个微小增量，如图1所示。当结构收到一个微小增量P时，ABAQUS用与初始结构位移相对应的初始刚度矩阵0K和载荷增量P计算出结构在这一增量后的位移修正ac、修正后的位移值au和相应的新的刚度矩阵aK。ABAQUS用新的刚度矩阵计算结构的内力aI，载荷P和aI的差值为迭代的残余力aR。如果aR在模型内的每一个自由度上的值都为零或小于一个给定的容差，如图1所示的a点，则结构处于平衡状态即ABAQUS计算到的内外力是平衡的。若假设整个物体只有一个单元，则位移修正ac就为应变增量1~n，刚度矩阵就是UMAT程序中的雅可比矩阵。根据塑性变形时的雅可比矩阵计算公式：depILGDD~~:~~4~~~~12其中eD~~为弹性状态下的雅可比矩阵，可知pD~~较eD~~小。UMAT计算出的应力便是结构的内力aI。在UMAT程序中通过计算：2111)~~(:)~~(23YssFntrinntrintrin式中：11~:~~~~nentrinD并判断若trinF1是否大于零来决定节点是否达到屈服。若trinF1小于零则节点未达到屈服，若trinF1大于等于零节点达到屈服，需要进行塑性迭代与重新计算雅可比矩阵。图1增量法迭代原理ABAQUS处理塑性加载过程问题可以描述为：首先读入上一状态的应力、应变、背应力及屈服强度，使用下标n表示（对应时间为nt）。再根据上一步的刚度矩阵nK和载荷增量P计算出给定的应变增量1~n，然后在UMAT程序中求出1nt（11nnnttt）时刻满足所用塑性模型给出的屈服准则、流动准则、硬化准则下的应力、应变、背应力及屈服强度。UMAT程序利用已知的n~，)(~in，n~，pn~，np，nY和给定的1~n首先求出可满足所用塑性模型给出的屈服准则、流动准则、硬化准则的1np，再使用公式依次求出其余量。等效塑性应变：11nnnppp屈服极限：)1(1)(1)(01nipMiinerYY塑性流动：)~~(:)~~()~~(~1)()(111)()(111)()(111MiinintrinMiinintrinMiinintrinnsssn式中：1)()(111niinp塑性应变增量：111~23~nnpnnp背应力：)~32~(~1)()()(1)(1pniinininh应力：trimnninnInY~~32~~11)(11式中：)(31332211tritritritrim再计算出：n~，pn~加载过程按照此方式进行计算。2.2当外力卸载时同样已知：n~，)(~in，n~，pn~，np，nY并且给定：1~n。这里考虑卸载过程的第一步迭代。由于外力开始卸载，计算得到的)~~(:)~~()~~(:)~~(11nnnnntrinntrinssss。由于上一步迭代材料处于屈服状态，所以在UMAT程序运行结束时有下面关系成立：0)~~(:)~~(232nnnnnYssF所以此时的0)~~(:)~~(232111nntrinntrinnYssF根据程序判断不进行塑性计算，只计算弹性雅可比矩阵即按照弹性方式进行卸载。各个参数有关系：)()(1~~inin，pnpn~~1，nnpp1，nnYY1弹性应变：11~~~nenen总应变：pnenn11~~~按照此方式，直到卸载完成。这里不讨论反向加载。2.3再次加载时由于)(~in，pn~，nY在卸载过程中不变化，所以在第二次加载过程中，读入的n~，)(~in，n~，pn~，np，nY中)(~in，pn~一定是不为零的，并且0YYn。对于n~是否为零，与残余应变是否引起了残余应力有关。对于一个单元残余塑性应变是无法引起残余应力的；对于多个单元构成的物体，当卸载完成后，一些单元的残余塑性应变使得它们与周围的单元之间产生作用力从而产生残余应力。此时读入的n~是不为零的。这是与第一次加载初始应力状态有区别的。根据UMAT弹性试应力的计算公式11~:~~~~nentrinD，若物体中含有残余应力则在计算过程中直接代入程序计算。由给定的应变增量1~n计算出下一时刻的2111)~~(:)~~(23YssFntrinntrintrin。若trinF1小于零则节点未达到屈服按照2.1中的弹性加载过程进行计算；若trinF1大于等于零按照2.1中的塑性加载过程进行计算。分析：若要此模型出现图2所示的应力应变曲线必须进行双向加载。在单向反复加载时，若所受最大值是不变的则，在后续的加载过程中均为弹性变形。图2应力应变曲线问题：我这样的分析合理吗？[1]2002-implementationofcyclicplasticitymodelsbasedonageneralformofkinematichardening[2]有限单元法王勛成清华大学[3]2005-ABAQUS用户材料子程序开发及应用（硕士论文-华中科技大学）