一种塑料弹带挤进有限元仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种塑料弹带挤进有限元仿真方法，首先建立塑料弹带挤进过程的弹炮耦合有限元网格模型，并将其导入到ABAQUS中；接着考虑应变率效应建立塑料弹带的弹‑塑‑损伤本构模型，再基于弹性张量的应力更新补偿算法将其编写成材料子程序；最后在ABAQUS中建立塑料弹带挤进过程的弹炮耦合有限元分析模型，并调用材料子程序完成弹带挤进过程进行有限元仿真，获得塑料弹带挤进过程的仿真结果。本发明专利技术考虑了塑料弹带材料应变率对材料力学响应的影响，并引入非线性硬化模型，建立塑料弹带的弹‑塑‑损伤本构模型，能够更加准确地描述塑料弹带在挤进过程中的力学性能响应，提高塑料弹带在膛内挤进过程中的仿真结果的准确性。

A finite element simulation method of plastic belt extrusion

【技术实现步骤摘要】
一种塑料弹带挤进有限元仿真方法
本专利技术涉及弹带挤进仿真技术，具体涉及一种塑料弹带挤进有限元仿真方法。
技术介绍
火炮发射条件下，弹带挤进过程是一个高瞬态冲击、强载荷、材料变形和损伤失效等特点的复杂非线性过程，挤进过程的响应对整个火炮膛内发射具有重要的影响。弹带挤进过程历时十分短暂，并考虑到发射条件下膛内高温高压环境的复杂性，针对弹带挤进过程的实验研究较少。目前，很多相关领域的研究人员主要采用仿真的方法对弹带挤进的过程进行研究。孙全兆,杨国来,王鹏,等.在《某大口径榴弹炮弹带挤进过程数值模拟研究》一文中，通过实验测试数据转化成弹底压力载荷，并将其作为有限元仿真计算的载荷边界条件，探索了大口径榴弹炮在发射载荷下弹带挤进过程的力学响应。但其研究模型仅限于铜制金属弹带，并未考虑塑料弹带在挤进过程中的力学响应。李宣荣.在《高速冲击挤进问题的瞬态有限元分析》一文中，以尼龙1010和MC尼龙两种塑料弹带的挤进过程进行有限元仿真研究，分析了不同缠角的炮管对塑料弹带挤进过程的力学响应。但其模型中的弹带材料采用经典双线性各向同性弹塑性硬化模型，忽略了应变率对尼龙材料力学行为的影响，得出的仿真结果也未得以实验验证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种塑料弹带挤进有限元仿真方法，以实现塑料弹带弹丸在膛内挤进过程中仿真分析。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种塑料弹带挤进有限元仿真方法，包括如下步骤：步骤1、通过对塑料弹带挤进过程的弹炮耦合几何模型离散化，建立塑料弹带挤进过程的弹炮耦合有限元网格模型，并将其导入到ABAQUS中，转入步骤2；步骤2、设定塑料弹带的弹性模量和泊松比，考虑应变率效应建立塑料弹带的弹-塑-损伤本构模型，转入步骤3；步骤3、基于弹性张量的应力更新补偿算法对上述弹-塑-损伤本构模型进行状态更新，将塑料弹带状态更新的过程编写材料子程序VUMAT，并将编写的材料子程序嵌入到ABAQUS中，转入步骤4；步骤4、建立弹带挤进过程的弹炮耦合有限元分析模型，通过ABAQUS调用材料子程序对弹带挤进过程进行有限元仿真，获得塑料弹带挤进过程的仿真结果。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：本专利技术考虑了塑料弹带材料应变率对材料力学响应的影响，并引入非线性硬化模型，建立计及应变率效应的塑料弹带的弹-塑-损伤本构模型，通过子程序将建立的本构模型嵌入到有限元软件中，可以提高塑料弹带在膛内挤进过程中的力学响应仿真结果的准确性。附图说明图1为本专利技术所述的塑料弹带挤进有限元仿真方法的流程图。图2为弹带挤进弹炮耦合有限元网格模型示意图。图3为分段应变硬化曲线图。图4为应力补偿更新算法示意图。图5为不同时刻下的弹带挤进状态图。具体实施方式下面结合附图和实施例，进一步阐述本专利技术方案。如图1所示，一种塑料弹带挤进有限元仿真方法，具体步骤如下：步骤1、通过对塑料弹带挤进过程的弹炮耦合几何模型离散化，建立塑料弹带挤进过程的弹炮耦合有限元网格模型，具体如下：建立塑料弹带挤进过程的弹炮耦合几何模型，所述弹炮耦合几何模型包括身管、膛线、弹丸、滑动环和塑料弹带模型；利用Hypermesh软件采用六面体减缩积分单元对塑料弹带挤进过程的弹炮耦合几何模型进行离散化，得到塑料弹带挤进过程的弹炮耦合有限元网格模型，如图2所示，将网格模型导入到ABAQUS软件中。步骤2、设定塑料弹带的弹性模量和泊松比，考虑应变率效应建立塑料弹带的弹-塑-损伤本构模型，用以塑料弹带炮弹在膛内挤进过程中的有限元仿真，具体如下：塑料弹带本构模型包括弹性模型、塑性模型和损伤模型。弹性模型：σe＝De:εe(1)式中，σe为弹性应力张量，εe为弹性应变张量，两者均为二阶张量；De为各向同性弹性张量，为四阶张量，式中，G为剪切模量，λ为Lame常数，δik、δjl、δil和δjk均为克朗内克符号，为De中的各分量。塑性模型：包括屈服准则、流动准则和硬化准则。屈服准则采用屈服函数f(σij)：式中，I1为第一应力不变量，I1＝tr(σ)＝σii＝σ11+σ22+σ33，i＝1,2,3；J2为第二应力不变量，其中s为偏应力张量；为应变率；为参考应变率；α0、α1、β为材料参数。流动准则采用关联性流动准则：式中，为塑性应变增量，dλ为塑性流动因子，i＝1,2,3，j＝1,2,3。硬化准则采用各向同性硬化，认为在加载过程中屈服面的变化历程为均匀膨胀；f(σij，κ)＝f(σij)-κ(k1、k2...)＝0式中：f(σij，κ)为后继屈服函数，κ(k1、k2...)为硬化函数，用于确定屈服面的大小，k1、k2...为硬化参数，能够反映材料的塑性加载历史；选用累积等效塑性应变作为塑性内变量，硬化函数是关于的函数，其中：其中，为累积等效塑性应变增量。由于材料的屈服硬化为线性，其线性硬化模型表达为：式中：σy0为初始屈服应力，H为各向同性硬化模量。考虑各向同性非线性硬化的情况下，流动屈服应力视为分段函数，材料的非线性硬化曲线由若干组点构成，如图3所示。此时，硬化模量H不再是常数，而是关于的函数，是应变硬化曲线的斜率，表示为：式中，表示第i段的累积等效塑性应变，σy(i)和分别为第i段对应的屈服应力和硬化模量；所以流动屈服应力表示为：通过材料实验可以获取实际硬化曲线，硬化数据区间的划分直接影响硬化模量H的计算精度，区间划分越小，硬化模量H的计算精度越高。综合上述的屈服函数f(σij)和各向同性非线性硬化模型并引入硬化系数n，建立可以描述各向同性非线性硬化的率相关塑性本构方程f(σij,κ)：损伤模型：式中，D为损伤因子；εeq为等效应变；εth为损伤应变阈值；为特征应变率；D0、b和γ均为材料参数；损伤因子D＝0时，表示材料没有发生损伤失效；损伤因子0＜D＜1时，表示材料发生损伤，但未产生失效；损伤因子D≥1时，表示材料完全失效。步骤3、基于弹性张量的应力更新补偿算法对上述弹-塑-损伤本构模型进行状态更新，如图4所示，将塑料弹带状态更新的过程编写材料子程序VUMAT，并将编写的材料子程序嵌入到ABAQUS中，具体如下：步骤3.1：从ABAQUS中输入第n个增量步结束时应力张量σn、累积等效塑性应变屈服应力σyn、损伤因子σyn，等效应变εeq(n),第n+1个增量步开始时的应变张量增量Δεn+1，时间增量Δt，转入步骤3.2。其中，当n＝0时，应力张量σn、累积等效塑性应变屈服应力σyn、损伤因子Dn的值均为0；当n＞0，且另n＝n+1时，应力张量σn、累积等效塑性应变屈服应力σyn、损伤因子Dn为第n个增量步结束时的值。步骤3.2：弹性试应力预测：假设第n+1个增量步开始时的应变张量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种塑料弹带挤进有限元仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、通过对塑料弹带挤进过程的弹炮耦合几何模型离散化，建立塑料弹带挤进过程的弹炮耦合有限元网格模型，并将其导入到ABAQUS中，转入步骤2；/n步骤2、设定塑料弹带的弹性模量和泊松比，考虑应变率效应建立塑料弹带的弹-塑-损伤本构模型，转入步骤3；/n步骤3、基于弹性张量的应力更新补偿算法对上述本构模型进行状态更新，并将塑料弹带状态更新的过程编写材料子程序VUMAT，将编写的材料子程序嵌入到ABAQUS中，转入步骤4；/n步骤4、建立弹带挤进过程的弹炮耦合有限元分析模型，通过ABAQUS调用材料子程序对塑料弹带挤进过程进行有限元仿真，获得塑料弹带挤进过程的仿真结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种塑料弹带挤进有限元仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过对塑料弹带挤进过程的弹炮耦合几何模型离散化，建立塑料弹带挤进过程的弹炮耦合有限元网格模型，并将其导入到ABAQUS中，转入步骤2；
步骤2、设定塑料弹带的弹性模量和泊松比，考虑应变率效应建立塑料弹带的弹-塑-损伤本构模型，转入步骤3；
步骤3、基于弹性张量的应力更新补偿算法对上述本构模型进行状态更新，并将塑料弹带状态更新的过程编写材料子程序VUMAT，将编写的材料子程序嵌入到ABAQUS中，转入步骤4；
步骤4、建立弹带挤进过程的弹炮耦合有限元分析模型，通过ABAQUS调用材料子程序对塑料弹带挤进过程进行有限元仿真，获得塑料弹带挤进过程的仿真结果。


2.根据权利要求1所述的塑料弹带挤进有限元仿真方法，其特征在于，步骤1中，所述弹炮耦合几何模型包括身管、膛线、弹丸、滑动环和塑料弹带模型；利用Hypermesh软件采用六面体减缩积分单元对塑料弹带挤进过程的弹炮耦合几何模型进行离散化，得到塑料弹带挤进过程的弹炮耦合有限元网格模型；将网格模型导入到ABAQUS中。


3.根据权利要求1所述的塑料弹带挤进有限元仿真方法，其特征在于，步骤2中，设定塑料弹带的弹性模量和泊松比，考虑应变率效应，建立塑料弹带的弹-塑-损伤本构模型，具体如下：
塑料弹带的弹-塑-损伤本构模型包括弹性模型、塑性模型和损伤模型；
1)弹性模型：
σe＝De:εe
式中，σe为弹性应力张量，εe为弹性应变张量，两者均为二阶张量；De为各向同性弹性张量，为四阶张量；



式中，G为剪切模量，λ为Lame常数，δik、δjl、δil和δjk均为克朗内克符号，为De中的各分量；
2)塑性模型包括屈服准则、流动准则和硬化准则；
屈服准则采用屈服函数f(σij)：



式中，I1为第一应力不变量，I1＝tr(σ)＝σii＝σ11+σ22+σ33，i＝1,2,3；J2为第二应力不变量，其中s为偏应力张量；为应变率；为参考应变率；α0、α1、β均为材料参数；
流动准则采用关联性流动准则：



式中，为塑性应变增量，dλ为塑性流动因子，i＝1,2,3，j＝1,2,3；
硬化准则采用各向同性硬化准则，在加载过程中屈服面的变化历程为均匀膨胀；
f(σij，κ)＝f(σij)-κ(k1、k2...)＝0
式中：f(σij，κ)为后继屈服函数，κ(k1、k2...)为硬化函数，用于确定屈服面的大小，k1、k2...为硬化参数，能够反映材料的塑性加载历史；选用累积等效塑性应变εp作为塑性内变量，硬化函数是关于的函数，其中：



其中，为累积等效塑...

【专利技术属性】
技术研发人员：李朝辉，葛建立，孙全兆，杨国来，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32