热塑性树脂材料本构模型建立及基于ABAQUS子程序开发

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复合材料以其密度小、强度高等优点被广泛应用于高技术领域。复合材料的发展对基体材料也提出更高的要求,聚碳酸酯作为具有优良性能的热塑性树脂材料,是良好的复合材料基体材料,然而由于其增强基的影响,在切削加工时会出现不同于传统材料加工的新问题。同时聚碳酸酯作为工程塑料也有着广阔的市场与前景,随着其用途的扩大,在热加工方面的要求也越来越高。单纯使用实验的方法确定材料加工参数,需要的人力物力比较大,这就需要借助有限元仿真进行研究。ABAQUS以其强大的功能得到广泛的应用,但没有包含适合热塑性树脂材料的非线性粘弹性的本构模型,这就需要我们根据需要进行二次开发,所要求的本构方程编写用户自定义子程序。本文通过分析聚碳酸酯的α-转变与β-转变的影响,解释了其本构模型建立的原理与依据,并根据材料性质的不同,在材料本构模型的一维结构中并联一粘壶。对已有的“朱-王-唐”模型进行改进,得到适合聚碳酸酯等热塑性塑料的本构模型,并推导其数学方程式。将一维模型的数学方程式根据粘弹性理论转变为三维形式,基于Mises屈服准则和J2流动理论编写了UMAT用户子程序。子程序中的应力更新算法采用完全隐式向后的Euler算法,计算应力的塑性修正量。用“蚁群算法”编写matlab程序,拟合实验数据得到材料在本构方程中的参数。建立了拉伸和霍普金森的有限元模型,并调用所编写的UMAT子程序对聚碳酸酯进行分析计算,得出应力和塑性变形在不同应变率下的变化规律。对聚碳酸酯材料在不同应变率下进行拉伸和霍普金森实验,对实验结果进行处理和对比,得到材料在高应变率和低应变率下的屈服变化规律。并将实验结果与仿真结果的规律进行对比,验证了本构模型的正确性。
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