Abaqus针对复合材料优势

四Abaqus在复合材料领域的优势

4.1 复合材料介绍

4.1.1 复合材料的应用

复合材料有许多特性：

1、制造工艺简单

2、比强度高，比刚度大

3、具有灵活的可设计性

4、耐腐蚀，对疲劳不敏感

5、热稳定性能、高温性能好

由于复合材料的上述优点，在航空航天、汽车、船舶等领域，都有广泛的应用。复合材料的大量应用对分析技术提出新的挑战。

4.1.2 复合材料的结构

复合材料是一种至少由两种材料混合而成的宏观材料，其中的一种材料被称作基体，其它的材料称作纤维。其中纤维可以包含很多不同的

形式：离散的宏观粒子，任意方向的短纤维，规则排列的纤维和织物。

4.1.3 典型的复合材料

1)单向纤维层合板----冲击分析

2)编织复合材料---- 挤压分析

3)蜂窝夹心复合材料----不可见冲击损伤分析

基体和纤维的存在形式以及材料属性对于复合材料的力学行为有

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材料具有如下性质：

1）低成本：原型，大规模生产，零件合并，维修，技术成熟。

2）期望的重量：轻重量，比重分配合理。

3）改进的强度和刚度：高强度/高刚度比。

4）改进的表面属性：良好的耐腐蚀性，表面抛光性好。

5）期望的热属性：较低的热传导性，热膨胀系数较低。

6）独特的电属性：具有较高的绝缘强度，无磁性。

7）空间适应性：大部件，特殊的几何构型。

4.1.4 复合材料的有限元模拟

根据不同的分析目的，可以采用不同的复合材料模拟技术：

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：将复合材料模拟为一个正交各向异性体或是完全各向

异性体。

3）混合模拟：将复合材料模拟为一系列离散、可见的纤维层合板。4）离散纤维模拟：采用离散单元或是其它模拟工具进行模拟。

5）子模型模拟：对于研究加强纤维周围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

混合模拟：层合板的混合模拟

Abaqus中复合材料的单元技术

Abaqus中复合材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

单元类型：S4, S3R；

复合材料截面属性的定义：* SHELL SECTION, COMPOSITE 复合材料定义：各向同性、正交各项同性、层合板、工程常数以及各向异性等。

特点：可以准确地考虑横向剪切应力

实体单元

单元类型：C3D8I, C3D6

复合材料截面属性的定义：*SOLID SECTION, COMPOSITE

复合材料定义：各向同性、正交各项同性、工程常数以及各向异性等。

特点：可以用实体单元来模拟考虑厚度方向的复合材料分析

实体壳单元

单元类型：SC6R, SC8R；

复合材料截面属性的定义：*SHELL SECTION, COMPOSITE，STACKING DIRECTION

复合材料定义：各向同性、正交各项同性、层合

板、工程常数以及各向异性等。

特点：实体壳单元建模采用实体模型，但响应类似于壳单元，可以更加精确的模拟复合材料层合结构厚度方向的响应。

损伤失效模拟

Abaqus可以对复合材料的纤维和基体的材料以及接触界面进行渐进损伤和失效分析。渐进损伤和失效对于纤维和基体的失效模式预测：1）Hashin Criteria；

2）UMAT (Abaqus/Standard)；

3）VUMAT (Abaqus/Explicit)。

胶结层合板发生分层失效：

1）Virtual Crack Closure Technique (VCCT)；

2）Cohesive Elements；

3）Cohesive Contact。

4.2 Abaqus/CAE中复合材料的建模技术

在Abaqus/CAE中，有专门的复合材料设计模块plyup。应用该模块可以对复合材料进行铺层设计。对于每一个铺层，可以选择铺层应用的

区域、使用的材料、铺层的铺设角度、厚度等。对于铺层较多的结构件，Abaqus/CAE提供了很方便的检查手段，可以显示铺层沿厚度方向将每

一层分离展示，一目了然，这也是数字化设计的一大优点。

后处理模块中，可以显示每一个铺层厚度方向上的应力、位移、损

伤云图，也可以显示复合材料厚度方向上变量的变化曲线。

复合材料建模模块（CMA）

通常情况下，在进行仿真分析中，复合材料铺层都是按照理想设计

进行分析的。而在复合材料实际的加工制造过程中，纤维铺层不可避免

地会发生折叠、交错，因此纤维的方向以及铺层的厚度都会发生变化。

如果再按照理想设计的复合材料铺层去进行分析计算，就得不到真实结构的力学性能。

Composite Modeler for Abaqus/CAE（CMA）确保在建模初始阶段就能考虑铺层的的工艺性能，确保复合材料铺层在工艺上的可行

性。这样避免了日后在研发周期上由于重新设计而增加的成本。此模块

还可以生成制造数据以确保最终的零件与分析模型相符。

CMA补充和扩展了Abaqus/CAE强大的复合材料仿真能力，并与

Abaqus/CAE完美的融合在了一起。此外，凭借其与其他环节的直接融合能力，实现了整个企业设计与制造的紧密联系。

目前，由CMA得到的空间中不断变化的纤维方向和铺层厚度可直接提供给非线性隐式算法和显式求解器，实现真实地仿真计算。因而在每个单

元产生铺层角度，真实反应了仿真和实际纤维结构，这些功能确保计算

中可达到前所未有的真实性。

如下图所示，对于弯曲的几何结构，当某些单向带/织物存在覆盖情况时需要考虑局部的纤维方向，计划的坐标系统可能无法正确地考虑弯曲几何结构。要确保提议的将要制造的铺层具有实际可生产性（平坦模式