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【FCA-Chp-9】第9章 离散损伤力学(2)

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9.6 退化的单层板刚度

 

 

含裂纹铺层k的热膨胀系数用相似的形式计算,如下

 

 

9.7 断裂能

在位移控制下,能量释放率(ERR)定义为应变能U关于裂纹面积A的偏导数(见式10.1)。根据对层压的脆性基体复合材料(例如,使用最多的增韧环氧基体)的实验观察,有限长度的裂纹突然产生,因此,不是无限小的。那么,应用格里菲斯(Griffith)能量原理的离散(有限)形式,以描述观察的离散(有限)的裂纹增长行为,如下

 


为了计算能量释放率(ERR),使用含裂纹铺层坐标系下的层压板的刚度Q比较方便,因为,用这种方法,能量释放率可以分解为开口(opening)和剪切(shear)模式。因为层压板刚度可以作为裂纹密度λ的函数分析得到,对于一个固定应变水平(载荷),可以计算能量释放率,使用[110][1423.2.10],代入式9.35,可得

 


9.8 求解算法

求解算法由(a)应变步、(b)层压板迭代、(c)单层板迭代组成。层压板的状态变量是对于所有铺层i和膜应变的裂纹密度的数组。在每个载荷(应变)步,增大层压板的应变,检查铺层是否破坏。


9.8.1 单层板迭代

 

 

9.1 因为Abaqus没有内置计算裂纹密度的能力,我们需要使用一个插件。在这种情况下,我们使用一个可编程的用户通用截面(UGENS[14326.6.6])实现离散损伤力学(DDM)。离散损伤力学(DDM)插件可在[5ugens-std.obj]获得,而它背后的理论在本章讲解。

本例阐述如何使用Abaqus/CAE创建一个模型;写入一个.inp文件;修改.inp文件,添加UGENS需要的数据;运行带插件的分析作业;最后可视化结果。使用伪代码(如果需要,回顾例2.3)和GUI的截屏说明操作过程。

 

i. 从命令窗口启动Abaqus/CAE

因为我们需要大量文件现成可用,在我们选择的文件夹(目录)启动Abaqus/CAE。右单击6C:\SIMULIA\User\Chapter_9\Ex_9.1,选择Open command window here(在此处打开命令窗口)。在命令创建中输入abaqus cae。这样打开Abaqus/CAE后将当前文件夹设为工作路径。(译者注:可以用任意方式启动Abaqus/CAE后,将工作路径设置到指定文件夹。)

6 不要将光标放在文件夹内,而是放在文件的黄色图标上。

 

ii. 创建部件

因为应变场在壳内是均匀的(在xy向),我们使用一个S4R单元对一个胞元建模,模型沿xy向的尺寸分别为ab,且。本例的伪代码开始如下:

模块:Part

菜单:PartCreateName[Part-1]3DDeformableShellPlanar

    Approx. Size[20]

    AddLinesRectangle[0,0][10,10]XDone

上面的第一行伪代码与图9.4等效,以此类推。

 

iii. 输入截面特性

使用UGENS,材料特性和截面参数必须作为截面特性输入,但是对于Abaqus/CAE 6-10版本,Abaqus/CAE没有输入UGENS数据的能力。因此,需要编辑Job-1.inp文件,与例4.3相似。在此之前,我们使用CAE输入参数,犹如将它们作为用户材料使用。离散损伤力学(DDM)插件使用4 9N 3N个参数,如下:

——层压板总厚度t

——3 9*N个材料特性参数,其中N是层压板中对称部分的铺层数,即层压板铺层的一半。这些参数排列如下,从第一个铺层(k = 1,下表面)开始,直到铺层N(中面):

——3*N个状态变量,从第一个铺层(k = 1,下表面)开始,直到铺层N(中面):

3 9N 3N(原文3 9N 5N(除层压板厚度外的所有参数)个值输入到材料,如图9.5所示。这些值在第viii步中给出。


然后,创建一个截面,定义壳厚度(见图9.6)和层内剪切系数的3个值(图9.7)。因为在本例中没有弯曲和横向剪切,层内剪切系数是不相关的;只需要输入任意值。另外,可以计算层内剪切系数,如式3.9(也可见例3.1)。最后,将截面赋给部件(菜单:Assign),实例化(装配)部件(模块:Assembly)。下面的伪代码描述在Abaqus/CAE中使用GUI操作的详细过程:


模块:Property

菜单:MaterialCreateName[Material-1]Material BehaviorUser Material

    Mechanical Constants# 3 9*N 5*N个值

    SectionCreateName[Section-1]ShellHomogeneousCont

        标签页:BasicShell thickness Value; [2.736]MaterialMaterial-1

        标签页:AdvancedTransverse Shear Stiffness[1,0,1]

    AssignSection# 选取部件,DoneOK

模块:Assembly

菜单:InstanceCreateName[Part-1]TypeIndependentOK

9.4 创建部件

9.5 创建材料

9.6 定义截面

9.7 定义截面(续)

 

 

iv. 创建分析步

接下来,除了其他的,需要一步操作设置场输出要求(Field Output Requests,见图9.8)。因为分析使用的材料为非线性(损伤),必须当心求解策略(见图9.9)。下面的伪代码完成该过程:

模块:Step

菜单:StepCreateName: [Step-1]After: Initial

    TypeGeneralStaticGeneralCont

  标签页:BasicTime period1

  标签页:Advancedmax. increments[1000]

    Incr.sizeInitial[0.01]Minimum; [1E-005]Maximum[0.01]

9.8 场输出要求

9.9 定义分析步

v. 定义边界条件

 

模块:Load

菜单:BCManager

    Createname[BC-1]StepInitialTypeSymmetryCont

        # 选取x=0的竖直边,DoneXSYMMOK

    Createname[BC-2]StepInitialTypeSymmetryCont

        # 选取y=0的水平边,DoneYSYMMOK

    Createname[BC-3]StepInitialTypeSymmetryCont

        # 选取原点处的顶点,DoneENCASTREOK

    Createname[BC-4]StepStep-1TypeDisplacementCont

        # 选取x=10的竖直边,DoneU1=[0.2]OK

9.10 边界条件

 

vi. 划分网格

然后,使用S4R单元划分网格。因为膜应变是均匀的,因此仅需要一个单元。通过选择单元尺寸等于模型尺寸a=b实现。例如,按照下面的过程:

模块:Mesh

菜单:SeedInstanceApprox. size[10]OK

    MeshElement TypeStandardLinearShell # S4R

    MeshInstanceYes

 

vii. 创建第一个分析作业

接下来,创建一个分析作业,仅写入Job-1.inp文件(见图9.11)。

模块:Job

菜单:JobManager

    CreateName[Job-1]Source: ModelContOK

    Data Check

    Write Input

9.11 使用Job Manager创建第一个分析作业(Job-1

viii. 修改.inp文件

接下来,将Job-1.inp复制为Job-ddm.inp,修改如下。两个文件可从[5]获得。

 

将下面一行:

*Shell Section, elset=_PickedSet2, material=Material-1

替换为下面一行:

*Shell General Section, elset=_PickedSet2, USER, PROPERTIES=30, VARIABLES=15

 

将材料特性参数:


立即移动到下面一行的上方:

*Transverse Shear

 

删除下面几行:

** MATERIALS

**

*Material, name=Material-1

*User Material, constants=30

**

 

将下面一行(调用一个内部程序,设置初始裂纹密度):

*Initial Conditions, type=SOLUTION, USER

添加到下面一行后面:

** STEP: Step-1


ix. 创建第二个分析作业

下一步,创建另一个分析作业(Job-DDM),用于使用插件运行模型(见图9.12、图9.13):

模块:Job

菜单:JobManager

    CreateName: [Job-DDM]Source: Input file

    Select[C:\SIMULIA\User\Chapter_9\Ex_9.1\Job-DDM.inp]Cont

    标签页:General,

    User subroutine[C:\SIMULIA\User\Chapter_9\Ex_9.1\ugens-std.obj]

    OK

    Submit # 等待运行完成

    Results

9.12 使用Input文件创建第二个分析作业

9.13 编辑第二个分析作业,指定用户子程序文件

x. 可视化


模块:Visualization

菜单:PlotContoursOn deformed shape

    ResultStep/Frame# 选择第24

 

此外,整个过程可以通过使用两个Python脚本自动完成,即Ex_9.1.pyUgenKeyword.py,可从[5]获得。按照第i步所介绍的方法打开命令窗口,然后输入:abaqus cae nogui=ex_9.1,可以执行脚本。然后,打开Job.odb对结果进行可视化,或者使用保存在Job.csv中的结果。裂纹密度-应变曲线在图9.14中给出。

 

9.14 使用离散损伤力学(DDM)得到的裂纹密度-应变与文献[144]中的实验数据对比

 

练习题

 

9.2 层压板(练习9.1用)

来源:AbaPY
MechanicalAbaqusDeform断裂复合材料非线性通用UG裂纹理论材料控制
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首次发布时间:2022-09-07
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KongXH
博士 专注于有限元分析领域,联合创作...
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