Abaqus针对复合材料优势.docx

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Abaqus针对复合材料优势

四Abaqus在复合资料领域的优势

4.1复合资料介绍

4.1.1复合资料的应用

复合资料有很多特征：

1、制造工艺简单

2、比强度高，比刚度大

3、拥有灵巧的可设计性

4、耐腐化，对疲惫不敏感

5、热稳固性能、高温性能好

因为复合资料的上述长处，在航空航天、汽车、船舶等领域，都有宽泛的应用。

复合资料的大批应用对剖析技术提出新的挑战。

4.1.2复合资料的构造

复合资料是一种起码由两种资料混淆而成的宏观资料，此中的一种资料被称作基体，其余的资料称作纤维。

此中纤维能够包含好多不一样的形式：

失散的宏观粒子，随意方向的短纤维，规则摆列的纤维和织物。

4.1.3典型的复合资料

1）单向纤维层合板----冲击剖析

2）编织复合资料----挤压剖析

3）蜂窝夹心复合资料----不行见冲击损害剖析

基体和纤维的存在形式以及资料属性关于复合资料的力学行为有

着很大的影响。

改变纤维和基体的属性目的就是在于生成一种复合资料

拥有以下性质：

1）低成本：

原型，大规模生产，零件归并，维修，技术成熟。

2）希望的重量：

轻重量，比重分派合理。

3）改良的强度和刚度：

高强度/高刚度比。

4）改良的表面属性：

优秀的耐腐化性，表面抛光性好。

5）希望的热属性：

较低的热传导性，热膨胀系数较低。

6）独到的电属性：

拥有较高的绝缘强度，无磁性。

7）空间适应性：

大零件，特别的几何构型。

4.1.4复合资料的有限元模拟

依据不一样的剖析目的，能够采纳不一样的复合资料模拟技术：

1）微观模拟：

将纤维和基体都分别模拟为可变形连续体。

2）宏观模拟：

将复合资料模拟为一个正交各向异性体或是完整各向

异性体。

3）混淆模拟：

将复合资料模拟为一系列失散、可见的纤维层合板。

4）失散纤维模拟：

采纳失散单元或是其余模拟工具进行模拟。

5）子模型模拟：

关于研究增强纤维四周点的应力集中问题比较有效。

微观模拟：

纤维-基体的单胞模拟

混淆模拟：

层合板的混淆模拟

Abaqus中复合资料的单元技术

Abaqus中复合资料的单元技术主要为三种：

分层壳单元、分层实体单元以及实体壳单元。

分层壳单元

单元种类：

S4,S3R；

复合资料截面属性的定义：

*SHELLSECTION,COMPOSITE

复合资料定义：

各向同性、正交各项同性、层合板、工程常数以及

各向异性等。

特色：

能够正确地考虑横向剪切应力

实体单元

单元种类：

C3D8I,C3D6

复合资料截面属性的定义：

*SOLIDSECTION,COMPOSITE

复合资料定义：

各向同性、正交各项同性、工程常数以及各向异性等。

特色：

能够用实体单元来模拟考虑厚度方向的复合资料剖析

实体壳单元

单元种类：

SC6R,SC8R；

复合资料截面属性的定义：

*SHELLSECTION,COMPOSITE，STACKINGDIRECTION

复合资料定义：

各向同性、正交各项同性、层合板、工程常数以及各向异性等。

特色：

实体壳单元建模采纳实体模型，但响应近似于壳单元，能够更为精准的模拟复合资料层合构造厚度方向的响应。

损害无效模拟

Abaqus能够对复合资料的纤维和基体的资料以及接触界面进行渐

进损害和无效剖析。

渐进损害和无效关于纤维和基体的无效模式展望：

1）HashinCriteria；

2）UMAT（Abaqus/Standard）；

3）VUMAT（Abaqus/Explicit）。

胶结层合板发生疏层无效：

1）VirtualCrackClosureTechnique（VCCT）；

2）CohesiveElements；

3）CohesiveContact。

4.2Abaqus/CAE中复合资料的建模技术

在Abaqus/CAE中，有特意的复合资料设计模块plyup。

应用该模块

能够对复合资料进行铺层设计。

关于每一个铺层，能够选择铺层应用的

地区、使用的资料、铺层的铺设角度、厚度等。

关于铺层许多的构造件，

Abaqus/CAE供应了很方便的检查手段，能够显示铺层沿厚度方向将每一层分别展现，了如指掌，这也是数字化设计的一大长处。

后办理模块中，能够显示每一个铺层厚度方向上的应力、位移、损害云图，也能够显示复合资料厚度方向上变量的变化曲线。

复合资料建模模块（CMA）

往常状况下，在进行仿真剖析中，复合资料铺层都是依据理想设计进行剖析的。

而在复合资料实质的加工制造过程中，纤维铺层不行防止地会发生折叠、交织，所以纤维的方向以及铺层的厚度都会发生变化。

假如再依据理想设计的复合资料铺层去进行剖析计算，就得不到真切构造的力学性能。

CompositeModelerforAbaqus/CAE（CMA）保证在建模初始

阶段就能考虑铺层的的工艺性能，保证复合资料铺层在工艺上的可行性。

这样防止了往后在研发周期上因为从头设计而增添的成本。

此模块还能够生成制造数据以保证最后的零件与剖析模型符合。

CMA增补和扩展了Abaqus/CAE强盛的复合资料仿真能力，并与

Abaqus/CAE完满的交融在了一同。

别的，依靠其与其余环节的直接交融能力，实现了整个公司设计与制造的密切联系。

当前，由CMA获取的空间中不停变化的纤维方向和铺层厚度可直接供应给非线性隐式算法和显式求解器，实现真切地仿真计算。

因此在每个单元产生铺层角度，真切反响了仿真和实质纤维构造，这些功能保证计算中可达到亘古未有的真切性。

以下列图所示，关于曲折的几何构造，当某些单向带/织物存在覆盖状况时需要考虑局部的纤维方向，计划的坐标系统可能没法正确地考虑曲折几何构造。

要保证建议的将要制造的铺层拥有实质可生产性（平展模式

展望）。

此外，CMA使复合资料构造的剖析、设计和制造完满的联合在一同。

使用CMA，能够将Abaqus/CAE创立的模型能够直接倒入到CATIAV5中进行细节设计，也能够将CATIACPD中设计的复合资料模型以及铺层导入到Abaqus/CAE中。

经过精准的模型变换，可迅速实现设计上的频频，进而提升整个研制过程的效率。

CMA的优势：

1与制造过程直接相近似的壳单元铺层定义；

2可在Layup模块中直接加入CMA铺层，Layup模块中直接定义了铺层的叠放次序。

在一个Layup模块中可重复使用铺层定义；

3对复杂铺层的模拟；

4单元法向不连续或几何模型包含表面分岔，铺层的应用方向与单元法线方向不一样；

5经过复合资料模块的树状构造，能够方便查察复合资料的铺层模型；

6CMA仿真供应平面和立体裁片型结果——正确查察铺设属性，检查铺层的可制造性；

7在CMA模块中，PlyLayup模型向单元属性的变换特别方便——同意对铺层模型的迅速改变，并持续进行随后的剖析；同意应用立体裁剪引

发的纤维空间角度；全局的铺层辨别使得能够铺层为单位查察结果。

总之：

CMA使得对复合资料模型的生成、改正和表示更为简单。

4.3Abaqus中复合资料的高级剖析技术

4.3.1纤维增强复合资料的渐进损害（Hashin’损s伤理论）

资料无效波及到由资料刚度渐进退化致使的失掉承载能力。

用损害力学模拟刚度退化，使用平面应力单元模拟，并考虑四种不一样的无效模

式:

1）纤维拉张开裂；

2）纤维屈曲和压缩无效；

3）基体拉伸和剪切开裂；

4）基体拉伸和剪切碾压。

渐进损害中典型资料响应

复合资料的损害模型主假如Hashin’s损害模型，能够包含纤维的压缩和拉伸无效、基体的压缩和拉伸无效。

应用Hashin’s损害模型能够模拟不行见的冲击损害（BVID），进而能够展望受冲击后构造的剩余损失以及冲击力的大小。

冲击力的展望损害地区

4.3.2无效理论

无效准则能够分红两类：

独立式和交互式（或多项式）。

前者应用起

来简单，能够给出无效模式，可是忽视了无效机理中应力之间的互相影

响。

后者考虑了无效机理中应力之间的互相影响，可是其实不给出无效模

式。

Abaqus中的复合资料无效准则主要有：

MSTRS

最大应力理论无效准则

TSAIH

Tsai-Hill

理论无效准则

TSAIW

Tsai-Wu

理论无效准则

AZZIT

Azzi-Tsai-Hill

理论无效准则

MSTRIN

最大应变理论无效准则

Distributionofmaterialdamageatmaximumload

4.3.3Abaqus/Explicit模拟复合资料冲击

Abaqus的损害模型只好用于拥有平面应力形式的单元：

平面应力，膜和壳单元，而用户自定义资料子程序能够将该功能扩展到其余应力状态的单元（3D）。

Abaqus的复合资料损害VUMAT，包含两个可用程序：

1）单向纤维VUMAT（扩展内置功能致使能够包含3D）

2）织物VUMAT

单向纤维VUMAT

初始假定是弹性应力/应变关系为正交各向异性损害弹性，损害理论采纳3维Hashin准则。

关于该子程序，一定指定19个用户资料常数：

三个主方向的弹性模量：

E11,E22,E33；泊松比：

n12,n13,n23；剪切模量：

G12,

G13,G23；剪切强度：

S12,S13,S23；每个主方向的拉伸和压缩强度X1t,X1c,X2t,X2c,X3t,X3c。

编制复合资料VUMAT

该VUMAT假定纤维之间都是互相垂直的（不存在褶皱），采纳局部笛卡儿坐标系表示应力-应变之间的本构关系，将基向量作为纤维方向。

织物增强铺层被模拟为均一的正交各向异性弹性资料，纤维和基体开裂能致使发生渐进刚度退化，由剪切载荷能引起塑性变形。

Abaqus内置了该用户子程序，关于该子程序，一定指定24个用户资料

常数：

纤维1方向和2方向的弹性模量：

E1+/-,E2+/-

泊松比：

n12+,n12-

剪切模量：

G1+/-,G2+/-

剪切强度：

S

拉伸和压缩强度：

X1+/-,X2+/-

剪切均衡参数：

a12,d12max

CZone

冲击时汲取能量的可压碎构造被用于：

汽车、直升机、飞机、火车

及其余运输工具中间，这类能量汲取构造能保护内部人员或许货物受冲

击时免于受伤与激烈震动。

对比于深重的采纳金属的设计，复合资料因为拥有能供应轻质可修复构造汲取能量的能力，因此拥有很大潜力。

当前没有商业方法能精准模拟或许展望这类构造的压碎特征。

这些构造的模拟仿真将考虑到拥有效益的发展和这类可压碎复合资料构造

的设计，以达到需要的性能参数。

精准模拟复合构造的压碎特征拥有挑战性，一般来说这类压碎响应不可以由传统的无效机理来描绘。

很难正确

地用该过程中波及到的单调某个无效机理来描绘。

Abaqus的CZone技术能够进行切合构造的压碎响应。

这些仿真考虑到这类可压碎复合构造的有效发展以达到需要的性能参数。

Abaqus的CZone（CZA）是Abaqus/Explicit的一个拓展，它将CZone

技术与Abaqus/Explicit强盛的冲击建模功能相联合。

对受冲击构造的前缘的挤压地区，CZA供应直接的鉴于挤压的单元无效剖析。

CZone技术经过下边两种方式融入Abaqus/Explicit中间：

一个是CZone压碎资料定义，描绘资料的压碎响应；

一个是CZone联系定义，对挤压地区内因为屈曲、剪切等惹起的局部载荷进行建模

典型的Abaqus的一个CZone剖析的目标：

确立汲取了多少能量；峰值加快度；均匀加快度；多少资料完整压碎；辨别遭到其余损坏形式的地区；认识损害的进度。

4.3.4Abaqus中复合资料分层损坏的模拟

为了降低层合板复合资料构造的成本，考虑大构造的整体化胶接。

主构造中，需要在铺层之间采纳胶接传达层间载荷。

损害容限要求胶接接触面能够蒙受所需蒙受的载荷。

纤维增强复合资料有高比强度、高比刚度、可设计性好等长处，但其最大的短处是简单产生层间分层，致使构造的刚度和强度急剧降落，疲惫性能恶化。

怎样模拟复合资料层间损坏是需要要点考虑的问题。

Abaqus中复合资料分层损坏的模拟有两种方式：

VCCT（虚构裂纹闭合技术）和Cohesive技术。

虚构裂纹闭合技术（VCCT）

用于Abaqus技术的VCCT是由CompositeAffordabilityInitiative（CAI）中的BoeingCommercialAircraftGroup发展起来的。

VCCT是波音

的技术专利，在其内部已经应用与复合资料的剖析长达数十年之久。

而

Abaqus将VCCT这类技术内嵌于Abaqus/standard中，用于有效地剖析复合资料构造的断裂和分层问题。

VCCT鉴于线弹性断裂力学的原理，经过计算不一样形式裂纹尖端的

能量开释率，与复合资料层间开裂的临界能量开释率对比较，来计算层

间裂纹的扩展。

其拥有的优势为：

VCCT完整与Abaqus中现有的单元、资料以及求解功能兼容，只要定义裂纹存在的界面，而无需定义裂纹扩展的方向。

使用VCCT可用用于确立复合资料构造的承载极限以及近似的典型航空复合资料构造的无效模式。

增强梁和蒙皮间的有效分层

初始开裂地区

Cohesive技术

采纳cohesive单元技术或鉴于cohesive的接触技术，相同能够来模拟复合资料的分层损坏以及胶结接头的连结。

使用牵引-分别接触行为来模拟粘性连结，是一种十分简单易用的方法。

该方法的功能和使用粘单元模拟牵引-分别本构行为的功能基本近似。

但是，该方法不需要定义单元，并且粘性表面能够跟着粘性接触面的产生随时进行绑定。

该方法初衷是用来模拟能够将接触面的厚度忽视掉的状况。

剖析时一定将其定义成表面交互的性质，而关于粘性表面来说，损害是一种交互性质，而不是资料性质。

粘性表面的运动学与粘单元的不一样，默认会自动计算粘性接触面的初始刚度。

Cohesive单元的应力应变行为见下列图，称为牵引-分别模式

（Traction-Separation）。

应力-应变曲线上涨段代表Cohesive单元的线弹性行为，应力-应变曲线降落段代表Cohesive单元的刚度衰减及无效过程。

Cohesive单元的初始损害鉴于应力或应变判据，而损害扩展判占有两种，一种鉴于能量，另一种鉴于位移。

使用VCCT和Cohesive技术对照：

Z-pin增强复合资料的模拟

Z-pin增强复合资料能够很好地控制复合资料的层间开裂。

关于此类复合资料的模拟，能够同时使用VCCT和cohesive单元技术。

复合资料的层间开裂使用VCCT技术，而Z-pin的影响使用cohesive单元模拟。

4.3.5Abaqus中复合资料其余剖析功能

复合资料后屈曲行为的模拟

很多状况下复合资料层合板的屈曲以及后屈曲行为是要要点考虑

的。

Abaqus/Standard中Buckling和Riks剖析步能够很好的模拟屈曲行

为。

低周疲惫剖析

在航空领域中，由近似临界周期载荷所惹起的复合资料分层扩展问题遇到广泛地关注。

Abaqus中的低周疲惫准则能够模拟界面处的渐进分层扩展状况。

该准则只好用于低周疲惫剖析，并且使用直接的循环方法（*DIRECTCYCLIC,FATIGUE）。

一定在模拟中指定分层（或裂纹）扩展所沿的界面，鉴于VCCT能够计算界面单元裂纹尖端的断裂能量开释率。

低周疲惫剖析采纳直接循环步骤直接获取构造的稳固循环响应。

该循环步骤经过联合傅立叶级数（Fourierseries）近似值和非线性资料的时间积分，使用修正的Newtonmethod来获取稳固的循环结果。

能够控制傅立叶数目条件，迭代次数和循环过程中的时间增量，以获取正确的数值结果。

在每个载荷循环过程中，都假定发生几何非线性行为，拘束条件为绑定接触。

DCB模型的低周疲惫展望

包含两步：

步骤1:

VCCT剖析

该步骤能够检查能否最大负载致使了静态裂纹扩展。

步骤2:

低周疲惫剖析

该步骤能够评估遇到近似临界周期载荷作用的DCB模型的疲惫寿命。

断裂剖析（XFEM）

扩展有限元法XFEM是美国西北大学Belytschko教授于1999年提出的一种求解不连续力学识题的数值方法，它继承了惯例有限元法的全部长处，在模拟界面、裂纹生长、复杂流体等不连续问题时特别有效，最

近几年获取了迅速发展和应用。

它和惯例有限元法最根本的差别在于，它所使用的网格与构造内部的几何或物理界面没关，进而战胜了在诸如

裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难，模拟裂纹生长时也无需对网格进行从头剖分。

扩展有限元法是迄今为止求解裂纹扩展问题最有效的数值方法，

Abaqus不失机机的将XFEM商业化到求解器中，不单剖析模型的创立简

单，并且功能强盛。

鉴于XFEM方法，能够经过最大主应力准则MAXPS或最大主应变准

则MAXPE的损害初始化以及鉴于能量的损害演化，进行复合资料的断裂剖析；同时，还能够联合VCCT或cohesive技术考虑层间开裂剖析。

别的，损害演化准则还能够鉴于线弹性断裂力学中的VCCT技术进行复合资料的断裂模拟。

联合directcycle剖析技术，还能够进行复合资料的疲惫断裂模拟。

4.3.6纤维环绕复合资料

在航空航天、汽车以及石油化工行业，纤维环绕技术已经成为制造

高比刚度复合资料构造的主导方法。

因为环绕构造纤维丝的走向连续变化，怎样对纤维环绕构造进行精准的性能剖析向来是个难点。

为认识决这一难题，SIMULIA的研发人员开发了鉴于Abaqus的扩展功能，实质解决了空间不一样方向纤维的建模问题。

经过鉴于Abaqus的纤维环绕建模模块（WCM），用户能够创立拥有详尽规范构造外形和环绕设计参数的模型，可进行沿纤维方向应力和应变的后办理。

应用连续体或壳单元可创立轴对称或三位模型。

可经过用户自定义界面来迅速定义环绕外形，进行几何和网格的创立。

有多种方法生成环绕基体——纤维丝环绕在其上。

WCM模块同意用户定义椭圆形、球形、测地形状，或经过表成立独立点。

此外，还能够经过已有的零件来创立环绕基体的几何模型。

WCM建模器中可选择生成整体或局部模型、对称或不对称压力容器形状。

在容器的几何外形和承载同意的条件下，如其几何形状拥有对称性，WCM会自动创立对称的几何模型，并在对称面上生成合适界限条件的网格，进而降低了模型的尺寸。

假如一个给定的压力容器设计有两个不一样的穹顶形尾端（即非对称构造），第一创立两个独立的穹顶，而后将其与圆柱部分归并，进而生

成了一个非对称压力容器的整体模型。

此模块解决了螺旋铺层靠近穹顶的转折点时的厚度增添问题。

经过插件自动区分有限元网格，用户可设

置沿厚度方向的种子数以及穹顶轮廓线上的单元数。

4.3.7复合资料应用

F-16复合资料水平尾翼强度剖析

F-16水平尾翼采纳复合资料设计方案后，需对构造特征和力学性能从头进行评估。

模型

肋和增强杆

利用Abaqus

软件的复合资料功能，对

F-16的水平尾翼建模。

前处

理直接输入复合资料的各样资料属性。

能够为蒙皮、肋和增强杆直接定

义复合资料。

为蒙皮、肋、增强杆和附带板定义复合资料层

操控载荷在水平尾翼表面产生向下的压力。

对复合资料水平尾翼施加气动载荷，扭矩载荷、瞬态压力载荷等，进行静力和动力剖析，并完整支持构造的后办理。

Allloadpassesthroughcontrolarm

操控载荷在尾翼表面产生向下的压力

计算结果能够直接在后办理中达成，能够显示每层资料的受力状态。

能够获取层间剪切应力，用于评估构造分层。

并能够将计算结果输出到文本文件，供进一步办理。

外壳顶层复合资料的应力

静力剖析达成以后，还能够对构造的动力学响应做进一步的评估。

利用静力剖析模型，略加改正，经过Abaqus/CAE将动力载荷直接施加在构造上。

瞬态压力载荷

能够直接获取构造的各样响应值，如应力和位移等。

并能够直接在后办理中输出。

3

尾端位移的历程输出和隶属板的应力

复合资料管的优化

当温度改变200度时，保持构造不存在沿圆周方向的应变，重量是

需要要点考虑的问题。

所以，不过简单地将构造视为沿圆周方向是刚性

的模拟是不行行的。

使用复合资料来模拟该问题，因为能够依据我们的

需要控制资料的热膨胀系数。

重要的属性是沿纤维方向的热膨胀系数为负数，而其余方向热膨胀系数都为正数。

设计拘束：

1）只考虑一个固定的铺层（第四层）；

2）只采纳对称铺层，所以只要要确立纤维方向的铺层角度这一个参数；

3）铺层角度将在0-90之间变化，共采纳10组数据点；

4）依据圆周应变确立最合理的设计。

经过优化，能够获取周向应变最小时所对应的纤维铺设方向

机翼复合资料优化

某复合资料机翼，采纳Abaqus进行剖析，获取Tsai-Wu无效变量。

经过优化纤维铺设角度的改变，使得Tsai-Wu无效变量一直不大于1，进而保证复合资料机翼的安全性。

优化目标：

Tsai-Wu无效变量最小

设计变量：

4个铺层角度，并且可能的变化角度为

[-90,-45,-30,-15,0,15,30,45,90]

拘束：

Tsai-Wu无效变量不大于1

采纳Isight进行优化

优化前后对照：

优化前

优化后

铺层角度

[0,45,0,30]

[0,90,15,90]

TSAIW

最大S11

43,000ksi

22,700ksi

五Abaqus一致的有限元剖析平台

在Abaqus平台下，复合资料构造的静力学剖析、冲击动力学剖析过