细观力学可视参数化建模及一种新型扩展有限元方法的研究

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1、NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonMicromechanicsVisualParametersModelingandaInnovativeExtendedFiniteElementMethodAThesisinEngineeringMechanicsbyPanQingAdvisedbyProf.ZhouChuweiSubmittedinPartialFulfillmen

2、toftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2012承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制

3、手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要本论文包括两部分研究内容。第一部分利用Abaqus前处理二次开发功能实现了细观计算力学单胞的可视参数化建模，第二步部分研究了一种新型的扩展有限元方法，并以Abaqus为平台，利用其UEL用户子程序接口实现了对非均质材料复杂细观裂纹扩展过程的模拟。第一部分：1.根据细观力学周期单胞的平移对称性，推导了长方体、六棱柱和面心立方等形状单胞的周期性边界条件，可通用于应力分析、热膨胀分析和热传导分析。进一步根据中心对称条件，推导了原单胞体积减半后

4、的周期性边界条件，可进一步减少计算规模。2.将上述推导的单胞的周期性边界条件，利用Abaqus的前处理脚本接口，用Python语言编写了一个自动计算具有周期性微结构的非均质材料等效材料参数的程序。并利用这个程序计算了纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和多孔复合材料在多种单胞形状下的等效弹性常数、热膨胀系数和热传导系数。第二部分：3.借鉴子结构和单元局部子划分的思想，发展了一种新思路的扩展有限元方法，通过对包含裂纹尖端的单元和被裂纹贯穿的单元进行动态子划分，使裂纹扩展不受初始网格限制，也无需进行网格重构。以通用有限元软件Abaqus为平

5、台，利用用户单元UEL子程序实现了上述扩展有限元方法。4.用上述方法模拟了裂纹在均质材料和在双材料界面中的扩展过程，验证了本文中发展方法的计算精度。进一步模拟了非均质材料中微裂纹的扩展过程，验证了本方法对复杂裂纹模拟的适用性。关键词：Python脚本，周期性边界条件，等效材料参数，UEL子程序，扩展有限元本文的研究工作得到了国家自然科学基金项目（11272147，10772078）和江苏省高校优势学科建设工程项目的资助。本文工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。I细观力学可视参数化建模及一种新型扩展有限元方法研究Abstract

6、Theresearchofthethesisisdividedintotwoparts.Inthefirstpart,micro-scalemechanicsunitcellsareestablishedautomaticallyviathecustomizationofAbaquspre-processingmodule.Inthesecondpart,aninnovativeextendedfiniteelementmethod(XFEM)isintroduced.Ithasbeenimplementedbasedontheuse

7、rsubroutineofAbaqussoftwareofUELandemployedtosimulatetheprocessofmicrocrackspropagationinheterogeneousmaterial.Inthefirstpart：1.Basedontranslationalsymmetryofmicro-scalemechanicsunitcell,asetofperiodicboundaryconditionsfortheunitcellsofrectangular,hexagonalandfacecenter

8、edcubic,etc.arederived.Theseboundaryconditionscanbeusedforvarioustheloads,e.g.forceapplying,thermalexpansionan