非線性本構(gòu)關(guān)系在ABAQUS中的實現(xiàn)
新材料、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生刺激著本構(gòu)關(guān)系的發(fā)展。借助大型有限元ABAQUS平臺和用戶子程序UMAT，展示非線性本構(gòu)關(guān)系及其有限元應(yīng)用的最新研究成果，激發(fā)非線性本構(gòu)關(guān)系發(fā)展和應(yīng)用的創(chuàng)新思維。本書將材料學、力學和機械工程相關(guān)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識與工程實踐緊密結(jié)合，秉承從易到難，由淺入深的原則，對非線性本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)理論、有限元實現(xiàn)和應(yīng)用進行全面介紹。
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目錄
第1章 緒論：非線性本構(gòu)關(guān)系簡介 1
1.1 本構(gòu)關(guān)系概述 1
1.1.1 本構(gòu)關(guān)系的含義 1
1.1.2 本構(gòu)關(guān)系的分類 1
1.1.3 本構(gòu)原理 2
1.2 本構(gòu)關(guān)系的兩種形式 6
1.2.1 全量型本構(gòu)關(guān)系 6
1.2.2 增量型本構(gòu)關(guān)系 6
1.3 本構(gòu)關(guān)系的張量表示 8
1.4 非線性求解策略 11
1.4.1 直接迭代法 11
1.4.2 Newton-Raphson迭代法 12
1.4.3 增量法 12
1.5 本構(gòu)關(guān)系的有限元實現(xiàn)過程 13
1.5.1 有限元法簡介 13
1.5.2 有限元分析的基本步驟 14
1.6 ABAQUS用戶材料子程序接口 15
1.6.1 UMAT簡介 15
1.6.2 輸入文件INP格式 18
參考文獻 21
第2章 非線性彈性本構(gòu)關(guān)系 22
2.1 非線性彈性本構(gòu)關(guān)系簡介 22
2.2 本構(gòu)方程 23
2.3 有限元實現(xiàn)格式 24
2.3.1 增量形式的本構(gòu)方程 24
2.3.2 一致性切線模量推導(dǎo) 25
2.4 材料參數(shù)確定 27
2.5 單元驗證 28
2.5.1 有限元模型 28
2.5.2 結(jié)果分析 28
2.5.3 UMAT代碼和INP文件 29
2.5.4 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 29
2.6 應(yīng)用實例 30
2.6.1 問題描述 30
2.6.2 有限元模型 31
2.6.3 結(jié)果分析 32
2.6.4 INP文件 33
參考文獻 33
第3章 黏彈性本構(gòu)模型 35
3.1 流變學基礎(chǔ) 35
3.2 本構(gòu)方程 36
3.3 有限元實現(xiàn)格式 38
3.3.1 增量形式的本構(gòu)方程 38
3.3.2 一致性切線模量推導(dǎo) 38
3.3.3 比能量 39
3.4 材料參數(shù)確定 39
3.5 單元驗證 40
3.5.1 有限元模型 40
3.5.2 結(jié)果分析 41
3.5.3 INP文件模板 41
3.5.4 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 41
3.6 黏彈性材料的壓痕分析 42
3.6.1 壓痕有限元模型 42
3.6.2 結(jié)果分析 42
3.6.3 INP輸入文件 44
參考文獻 44
第4章 彈塑性本構(gòu)關(guān)系 45
4.1 彈塑性本構(gòu)關(guān)系簡介 45
4.1.1 基本概念介紹 45
4.1.2 屈服準則 49
4.2 本構(gòu)方程 54
4.2.1 各向同性硬化 54
4.2.2 隨動硬化 57
4.2.3 混合硬化 62
4.3 有限元實現(xiàn)格式 63
4.3.1 增量形式的本構(gòu)方程 64
4.3.2 一致性切線模量推導(dǎo) 68
4.4 材料參數(shù)確定 70
4.5 單元驗證 71
4.5.1 有限元模型 71
4.5.2 結(jié)果分析 71
4.5.3 INP文件模板 72
4.5.4 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 72
4.6 應(yīng)用實例 73
4.6.1 問題描述 73
4.6.2 有限元模型 73
4.6.3 結(jié)果分析 74
4.6.4 INP文件 75
參考文獻 75
第5章 黏塑性本構(gòu)關(guān)系 76
5.1 黏塑性本構(gòu)關(guān)系簡介 76
5.2 本構(gòu)方程 76
5.3 有限元實現(xiàn)格式 78
5.3.1 增量形式的本構(gòu)方程 79
5.3.2 一致性切線模量推導(dǎo) 81
5.4 材料參數(shù)確定 83
5.5 單元驗證 84
5.5.1 有限元模型 84
5.5.2 結(jié)果分析 84
5.5.3 INP文件模板 84
5.5.4 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 84
5.6 應(yīng)用實例 85
5.6.1 問題描述 85
5.6.2 有限元模型 85
5.6.3 結(jié)果分析 86
5.6.4 INP文件模板 87
參考文獻 87
第6章 超彈性本構(gòu)關(guān)系 88
6.1 超彈性本構(gòu)關(guān)系簡介 88
6.2 本構(gòu)方程 89
6.2.1 彈性本構(gòu)方程 89
6.2.2 相變應(yīng)變演化律 90
6.3 有限元實現(xiàn)格式 91
6.3.1 增量形式的本構(gòu)方程 91
6.3.2 一致性切線模量推導(dǎo) 93
6.4 材料參數(shù)確定 93
6.5 單元驗證 94
6.5.1 有限元模型 94
6.5.2 結(jié)果分析 94
6.5.3 UMAT代碼和INP文件 95
6.5.4 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 95
6.6 應(yīng)用實例 96
6.6.1 問題描述 96
6.6.2 有限元模型 96
6.6.3 結(jié)果分析 97
6.6.4 INP文件 98
參考文獻 98
第7章 循環(huán)彈塑性本構(gòu)關(guān)系 99
7.1 本構(gòu)方程 99
7.1.1 應(yīng)變分解 99
7.1.2 屈服函數(shù) 99
7.1.3 流動準則 99
7.1.4 硬化準則 100
7.2 有限元實現(xiàn)格式 100
7.2.1 本構(gòu)方程離散 100
7.2.2 塑性乘子推導(dǎo) 100
7.2.3 一致性切線剛度模量推導(dǎo) 102
7.3 材料參數(shù)確定 103
7.4 單元驗證 104
7.4.1 有限元模型 104
7.4.2 結(jié)果分析 104
7.4.3 UMAT代碼和INP文件 105
7.4.4 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 105
7.5 薄壁圓管多軸循環(huán)變形有限元分析 106
7.5.1 有限元模型 106
7.5.2 結(jié)果分析 107
7.5.3 INP文件 109
參考文獻 110
第8章 循環(huán)黏塑性本構(gòu)關(guān)系 111
8.1 循環(huán)黏塑性本構(gòu)關(guān)系簡介 111
8.2 有限元實現(xiàn)格式 112
8.2.1 本構(gòu)方程離散 112
8.2.2 隱式應(yīng)力積分方法 113
8.2.3 一致性切線模量推導(dǎo) 115
8.3 材料參數(shù)確定 117
8.4 單元驗證 118
8.4.1 驗證結(jié)果 118
8.4.2 UMAT程序和INP文件 120
8.4.3 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 120
8.5 缺口圓棒循環(huán)黏塑性變形預(yù)測 121
8.5.1 有限元模型 121
8.5.2 模擬結(jié)果 121
8.5.3 INP文件 123
參考文獻 123
第9章 熱力耦合循環(huán)塑性本構(gòu)關(guān)系 124
9.1 熱力耦合循環(huán)塑性模型 124
9.1.1 本構(gòu)方程 124
9.1.2 熱平衡方程 126
9.1.3 溫度相關(guān)演化方程 127
9.2 有限元實現(xiàn)格式 127
9.2.1 增量形式的本構(gòu)方程 127
9.2.2 隱式應(yīng)力積分 128
9.2.3 加速算法 130
9.2.4 一致性切線模量推導(dǎo) 130
9.3 材料參數(shù) 131
9.4 模型驗證 131
9.4.1 熱致頸縮行為模擬 131
9.4.2 UMAT代碼和INP文件 134
9.4.3 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 134
9.5 位移控制循環(huán)變形行為模擬 135
9.5.1 有限元分析 135
9.5.2 INP文件 136
參考文獻 136
第10章 耦合損傷循環(huán)塑性本構(gòu)關(guān)系 138
10.1 本構(gòu)方程 138
10.1.1 主控方程 138
10.1.2 隨動硬化律 139
10.1.3 損傷演化律 140
10.2 有限元實現(xiàn)格式 140
10.2.1 增量形式的本構(gòu)方程 140
10.2.2 一致性切線模量推導(dǎo) 142
10.3 材料參數(shù)確定 143
10.3.1 本構(gòu)模型參數(shù) 143
10.3.2 損傷演化參數(shù) 144
10.4 單元驗證 145
10.4.1 有限元模型 145
10.4.2 結(jié)果分析 146
10.4.3 UMAT代碼和INP文件 147
10.4.4 材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 147
10.5 輪軌二維滾動接觸損傷有限元分析 148
10.5.1 模型簡化 148
10.5.2 有限元模型 149
10.5.3 結(jié)果分析 153
10.5.4 INP文件 155
參考文獻 155
第11章 大變形彈塑性循環(huán)本構(gòu)關(guān)系 156
11.1 本構(gòu)方程 156
11.1.1 運動學關(guān)系 156
11.1.2 對數(shù)應(yīng)力率 156
11.1.3 主控方程 158
11.1.4 演化方程 159
11.2 有限元實現(xiàn)格式 159
11.2.1 本構(gòu)方程離散 159
11.2.2 隱式應(yīng)力積分 161
11.2.3 一致性切線模量 163
11.3 模型驗證 164
11.3.1 有限元模型 164
11.3.2 材料參數(shù) 165
11.3.3 單軸拉伸真應(yīng)力應(yīng)變曲線模擬 166
11.4 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線模擬 167
11.4.1 有限元模型 167
11.4.2 模擬結(jié)果 167
11.4.3 UMAT代碼和INP文件 168
參考文獻 168
第12章 晶體塑性循環(huán)本構(gòu)關(guān)系 169
12.1 晶體學相關(guān)概念 169
12.1.1 晶體取向 170
12.1.2 晶面指數(shù)和晶向指數(shù) 171
12.1.3 滑移系 171
12.1.4 單晶體的滑移定律 172
12.2 面心立方多晶循環(huán)塑性本構(gòu)模型 173
12.2.1 晶體塑性單晶循環(huán)塑性本構(gòu)模型 173
12.2.2 尺度過渡準則 176
12.3 本構(gòu)模型的有限元實現(xiàn) 177
12.3.1 簡化晶體塑性本構(gòu)模型 177
12.3.2 本構(gòu)模型的有限元離散 178
12.3.3 ABAQUS用戶材料子程序UMAT 183
12.3.4 UMAT材料參數(shù)和狀態(tài)變量聲明 183
12.4 軋制5083H111鋁合金板材的有限元模型 185
12.4.1 二維Voronoi模型 185
12.4.2 晶粒取向效應(yīng)的引入 186
12.4.3 單元選擇 187
12.4.4 邊界條件 187
12.4.5 材料參數(shù)確定 188
12.4.6 有限元網(wǎng)格 188
12.4.7 模擬結(jié)果與討論 189
12.4.8 UMAT代碼和INP文件 191
參考文獻 192
第13章 應(yīng)變梯度塑性本構(gòu)模型 193
13.1 基于細觀機制的MSG本構(gòu)理論 194
13.1.1 Taylor位錯密度和實驗規(guī)律 194
13.1.2 理論動機 194
13.1.3 基本假設(shè) 195
13.1.4 本構(gòu)方程 196
13.2 有限元實現(xiàn)格式 197
13.2.1 UEL子程序介紹 198
13.2.2 UEL關(guān)鍵變量定義 198
13.2.3 UEL調(diào)用 200
13.2.4 UEL實現(xiàn) 201
13.2.5 材料參數(shù)聲明 202
13.3 MSG理論有限元應(yīng)用 202
13.3.1 微柱拉伸有限元模擬驗證 202
13.3.2 納米壓痕有限元模型 207
13.3.3 UEL代碼和INP文件 209
參考文獻 210
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