基于ABAQUS的铸件准固态区热应力场数值模拟技术

论文摘要

本课题来源于国家自然科学基金青年科学基金项目“基于细微观尺度的铸件热应力场双向耦合模拟”，是其主要内容之一。课题以ABAQUS为研究平台，对铸件准固态区热应力场数值模拟这一学术热点进行了探索研究。在总结前人研究成果的基础上，课题基于铸件温度判断，结合铸件准固态区流变学力学本构模型和固态区弹塑性力学本构模型，建立了能够描述整个凝固过程铸件力学行为的力学本构模型（简称为EP-EVP模型），该模型对铸件的固态区和准固态区（糊状区）区别对待，有效地提高了热应力模拟精度；基于ABAQUS平台，根据用户材料子程序（UMAT）接口的规定，设计了EP-EVP模型的有限元算法并编写相应的用户材料子程序（UMAT）；基于上述工作，设计了基于FEM/FEM联合分析的铸件热应力场模拟方案。为了验证开发的EP-EVP模型UMAT程序的正确性和基于FEM/FEM联合分析的铸件热应力场模拟方案的可行性。本课题首先利用单轴拉伸模拟对EP-EVP模型UMAT程序进行了验证；然后利用FEM/FEM联合分析方案基于EP-EVP模型UMAT程序对简化的应力框铸件进行了温度场和热应力场模拟，并与ABAQUS内置弹塑性模型（简称EP模型）的模拟结果进行了对比。结果表明：EP-EVP模型除了和EP模型一样能够准确描述铸件固态区力学行为外，还能准确描述铸件在准固态区的流变学行为，比EP模型更为科学；温度场和热应力场模拟结果与实际生产相符，能够用于指导实际生产。因此，本课题具有一定的工程应用价值。本课题通过对铸件准固态区热应力场数值模拟技术的研究，建立了铸件温度场和热应力场数值模拟的一般性有限元理论，并得到了适用于铸件整个凝固过程的力学本构模型，为后续自主开发数值模拟软件奠定了理论基础。因此，具有一定的理论研究价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 铸件热应力数值模拟国内外研究概况
• 1.3 课题的主要研究内容
• 2 铸件热应力模拟控制方程及其有限元实现
• 2.1 引言
• 2.2 铸件温度场模拟控制方程及其有限元实现
• 2.3 铸件应力场模拟控制方程及其有限元实现
• 2.4 ABAQUS 中力学问题的求解路线
• 2.5 本章小结
• 3 铸件力学本构的积分算法和程序实现
• 3.1 引言
• 3.2 ABAQUS 的用户材料子程序 UMAT
• 3.3 完全隐式的应力更新算法简介
• 3.4 铸件力学本构关系的应力更新算法
• 3.5 基于的铸件力学本构关系 UMAT 程序的实现
• 3.6 对 UMAT 程序的验证
• 3.7 本章小结
• 4 基于 ABAQUS 的铸件热应力分析方案及其验证
• 4.1 引言
• 4.2 基于 ABAQUS 的铸件热应力分析系统设计
• 4.3 应用实例：应力框热应力场分析
• 4.4 本章小结
• 5 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 问题和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文