表面失稳问题在工程中普遍存在,结构或材料的适用性和安全性因失稳的出现降低。在某些领域,材料因形貌发生改变而出现新的性质和功能,得到新的运用,如生物医学工程、柔性电子等。国内外针对表面失稳问题的研究成果包括失稳形态研究、数值理论解、结构外形对表面失稳的影响等,主要涉及的是均质柔性材料,对功能梯度材料表面起皱问题研究较少。本课题将超弹性功能梯度材料作为研究对象,完成其本构模型的UMAT子程序,利用ABAQUS软件建立超弹性功能梯度材料块的有限元模型,对其表面起皱的力学行为进行模拟。功能梯度材料(FGM,Functionally graded materials)作为一种新型复合材料,通过连续改变界面处材料的组成和结构,使界面两侧的材料性质连续缓和过度,有效解决复合材料界面突变性,提高材料整体性。国内外学者通过实验、理论分析、数值模拟等方法,在功能梯度材料的力学性能研究、材料制备方法、梯度设计、数值模拟等方面取得一定成果。超弹性材料作为常见的材料之一,其力学性能相对于线弹性材料具有特殊性,在外界刺激下,力学响应较大,容易产生大变形、大位移,且材料的应力应变关系非线性,描述超弹性功能梯度材料力学性质时,本构模型对计算结果的影响较大。但常用有限元软件材料库中没有功能梯度材料的本构模型,本课题利用ABAQUS中UMAT子程序定义超弹性功能梯度材料的本构模型。因此,本文的研究内容如下:(1)根据常用的超弹性本构模型适用范围,结合本课题的研究对象,选取NeoHookean模型作为超弹性本构模型。(2)对比超弹性材料性质在ABAQUS程序中定义的优劣,选择UAMT子程序定义Neo-Hookean模型本构关系。利用Fortran语言实现Neo-Hookean本构模型、Jacobian矩阵、变形梯度等定义,完成超弹性材料UAMT子程序开发。(3)将功能梯度材料体积分数理论引入超弹性本构模型中,完成超弹性功能梯度材料UMAT子程序的定义。基于该子程序,在ABAQUS中建立超弹性功能梯度材料块表面起皱的平面应变有限元模型,研究材料起皱时的应力分布、临界应变、皱纹波形。(4)研究材料参数、几何参数对超弹性功能梯度材料块表面起皱的影响规律,并与均质材料理论解、试验结果对比。通过上述研究内容,本课题验证了超弹性功能梯度材料Neo-Hookean模型UMAT子程序的准确性,为超弹性功能梯度材料性质的定义提供方法,扩充了ABAQUS程序材料库。基于UMAT子程序进行数值模拟,结果表明模型起皱的临界应变值与均质材料理论解、试验值之间存在偏差。改变材料的几何尺寸不会对材料表面起皱的临界应变产生影响,但是高宽比越大,皱纹波长越长,反之,皱纹波长越小。改变材料组份的弹性模量,会对起皱的临界应变产生影响,材料组份的弹性模量相差越大,临界应变越小;相反,弹性模量相差越小,临界应变越大,越接近均质材料临界应变值。起皱的临界应变不会随材料泊松比而变化,但是两材料组份的泊松比越接近,且泊松比越接近0.5,起皱效果越明显。