基于等参梯度单元的功能梯度材料结构分析

• 作者: 张龙 邱荣凯 程俊 刘秉斌
• 来源期刊: 南京航空航天大学学报
• 关键词: 功能梯度材料 等参梯度单元 结构分析 有限元 UEL
• 年，卷（期）: 2021,（4）
• 页码范围: 551-561
• 页数: 11页
• 分类号: V259|O242.21
• 语种: 中文
• DOI: 10.16356/j.1005⁃2615.2021.04.008

摘要

为了解决功能梯度材料非均质特征引起的特殊力学行为的模拟仿真技术难题,本文基于有限元基本理论框架,将材料梯度引入形函数,对单元刚度矩阵进行改写,发展了平面四节点与八节点等参梯度单元,并采用高斯积分数值处理方法,基于ABAQUS平台开发了等参梯度单元UEL(User?defined element)子程序,建立了功能梯度材料结构件的仿真分析方法.采用功能梯度材料正方形平板,研究网格密度对计算结果的影响,验证了平面四节点与八节点等参梯度单元的收敛性.将本文梯度单元与常规单元的计算精度进行了对比分析.当载荷条件较复杂时,常规单元计算的应力场出现阶跃,严重失真;而梯度单元得到的应力场光滑连续,可以采用较少数目的单元,即可得到比常规单元更为精确的计算结果.最后进行了功能梯度材料开孔结构和悬臂梁的计算分析,得到收敛解,需要采用的梯度单元数量远少于常规单元.研究表明,平面四节点与八节点梯度单元计算精度和效率均优于平面八节点常规单元,更优于平面四节点常规单元.