弹塑性梯度材料热机耦合分析的有限元方法

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1、第5卷第1期航空工程进展V01．5No．12014年2月ADVANCESINAERONAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGFeb．2014文章编号：1674—8190(2014)Ol一059—05弹塑性梯度材料热机耦合分析的有限元方法田珂，张光，陶亮(西北工业大学航空学院，西安710072)摘要：陶瓷／金属功能梯度材料(FGMs)的组份及性能梯度分布，在航空航天高温热结构中有重要应用。材料性能在空间上的连续变化给这类结构强度设计的有限元分析造成了一定困难，针对上述问题，提出一种热弹塑性梯度有限元方法。该方法通过编写有限元软件ABAQus的材料用户

2、子程序(UMAT)来实现，在UMAT中将FGMs的弹塑性本构模型参数定义为空间坐标的函数；用热弹塑性梯度有限元方法对陶瓷一FGMs一金属典型的三明治板结构进行热机械分析。结果表明：FGMs组分布函数对其热应力分布有很大的影响，特别是在三明治结构的界面上，影响更为突出，这和现有文献的实验结果相符。关键词：弹塑性；功能梯度材料；梯度有限元；热应力中图分类号：0346；V232．4文献标识码：AGradedFiniteElementMethodforMechanisticAnalysisofHeterogeneousStructureTianKe，ZhangGuang，T

3、aoLiang(SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)Abstract：Ceramic／metalfunctionallygradedmaterials(FGMs)，withitscomponentsanditsperformancegradientdistributionareofimportantapplicationsintheaerospacehightemperaturethermalstructure．Therearecertaindifficu

4、ltiesinthefiniteelementanalysisdirectlyforsuchstructuralstrengthdesign，becauseofthecon—tinuouschangesinthematerialpropertiesoftheFGMsinthespace．Bytakingintoaccountofthermalandplas—ticbehaviorsofmaterials，athermo—elasto—plasticgradedfiniteelementmethodhasbeenderived．Themethod，beingcapab

5、leofdescribingspatiallyvaryingmaterialproperties，hasbeenimplementedinthecommercialfiniteelementcodeABAQUSbyusinguser—definedmaterialsubroutinesforsolvingengineeringproblems．Toillus—tratetheapplicabilityofthemethod，acaseexamplehasbeenpreformedtOstudythemechanicalresponseofaceramic—FGMS—

6、metalsandwichstructure．ThecalculationresultsshowthatDistributionfunctionsofitscompo—nentareofgreatinfluenceonthedistributionofthermalstress，particularlyintheinterfaceofthesandwichstructure，whichisconsistentwiththeexperimentalresultsoftheexistingliterature．Keywords：elasto—plastic；functi

7、onallygradedmaterial；gradedfiniteelement；thermalstresses0引言梯度有限元(GFE)方法在解决均匀、非均匀材料的结构问题上具有重要作用。Zhang等‘13在收稿日期：2013一02—27；修回日期：2013—04—17基金项目：国家自然科学基金(50371070)通信作者：陶亮，tao一1970@nwpu．edu．cn研究均匀和功能梯度材料结构的动力学失效问题时使用了一个粘性区模型，同时用梯度有限元方程来近似描述材料的梯度问题。C．K．I．ee等[2]在研究传统裂纹管道T、Y、K型连接时，将材料整体结构划分并