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《郑州大学》 2010年
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内聚力模型的分析及有限元子程序开发

黄刘刚  
【摘要】: 内聚力模型是弹塑性断裂力学中一个被广泛应用与研究的计算模型。内聚力模型避免了线弹性断裂力学中的裂纹尖端应力奇异性,计算了开裂过程中应力以及断裂能。内聚力模型提出在裂纹尖端存在微小的内聚力区域,该区域内应力为开裂位移值的函数,即为张力位移关系。在对内聚力模型不断研究中,发展出了不同张力位移关系,使其能被广泛应用于各种韧性开裂、复合材料界面脱层以及粘接界面开裂等研究中。 指数内聚力模型具有非线性连续的张力位移关系,考虑了开裂过程中各向位移对应力的耦合关系。研究证实,只有在其参数q等于1的条件下,各向应力关系才能完全耦合。本文提出了指数模型单向断裂能计算公式,在各种参数条件下进行计算测试。其结果表明,在复合开裂条件下,当任一向应力首先减小为零时,其对应的单向断裂能亦同时达到其临界的最大值。 有限元软件ABAQUS中内聚力单元仅包含双线性内聚力模型,其他类型内聚力模型应用于ABAQUS时需通过子程序编译来实现。本文基于内聚力单元,提出采用自定义材料子程序VUMAT编译内聚力模型。推导了张力位移关系在VUMAT中的应用方法,并分别考虑线性与非线性内聚力模型,设计了内聚力模型VUMAT子程序的程序结构。 编译单向开裂条件下指数内聚力模型VUMAT子程序,并与内聚力单元包含的双线性内聚力模型计算结果进行比较,证明其能准确模拟界面单元的承载以及开裂失效过程。在对指数模型耦合关系研究的基础上,采用单向断裂能作为单元失效的判据,编译复合开裂条件下VUMAT子程序。将其应用于复合材料层板脱层模拟,与实验测试值进行比较,结果表明,通过设置合理的模型参数,内聚力模型VUMAT子程序能准确模拟计算裂纹的开裂萌生与扩展过程。 本文提出内聚力模型VUMAT子程序方法,能为有限元分析中提供更丰富的内聚力模型,并避免了其他子程序方法中计算收敛问题;通过提出单向断裂能公式,拓展了指数模型在复合开裂模式中应用范围,在此基础上编译其VUMAT子程序,实现了在ABAQUS中应用非线性的指数内聚力模型计算界面开裂过程。 感谢国家自然基金对本文研究工作的资助,本文研究课题作为国家自然基金项目各向异性导电胶膜粘接可靠性及界面损伤研究的子课题,编译的指数模型VUMAT子程序以及基于内聚力单元编译内聚力模型的VUMAT子程序方法,将进一步应用到其粘接界面及损伤的界面模型研究中。
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O346.1

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【参考文献】
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