基于ABAQUS的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真
基于ABAQUS 软件的热冲压成形接触问题分析
1引言ABAQUS 是一套功能非常强大的工程模拟仿真软件，拥有各种类型的材料模型库，可以模拟各种工程领域的许多问题，例如，热传导、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析以及压电介质分析[1,2]。
ABAQUS 拥有十分强大的处理高度复杂非线性问题的能力，具有模拟复杂系统问题的高度可靠性，被广泛应用于在各国工业和研究所中。
但是在国内ABAQUS 的普及率远不如ANSYS ，不仅中文的资料少，而且可供新手学习的例子少，尤其是对比较复杂的接触问题的介绍更少。
在现实世界中，有许许多多的工程项目问题都涉及接触问题，如运动中火车轮与钢轨的接触、切削中车刀与工件的接触、冲压时模具与毛坯间的接触，等等。
在接触过程中，两个物体在接触界面上的相互作用是复杂的力学现象，接触问题常常同时涉及三种非线性：大形变引起的材料非线性、几何非线性和接触界面的非线性，再加上接触界面的事先未知性和接触条件的不等式约束，决定了接触分析过程属于高度非线性的，不仅需要花费较多的计算机资源，而且收敛难度较大。
本文从汽车防撞梁的热冲压成形出发，基于ABAQUS 软件对接触问题进行分析研究。
2ABAQUS 接触分析的关键问题接触分析中需要注意的常见问题包括：单元类型的选择和网格质量的控制、接触关系的建立、相对滑动、主从面的定义等[3]。
ABAQUS 软件提供了非常丰富的单元种类，在给用户提供更多选择的同时，也增加了用户选择适合自己模型的单元类型的难度，人们要清楚自己计算的目的是什么，然后选择合适的单元类型。
例如，热冲压成形模型，涉及温度变化和形变，就这需要选择温度—位移耦合类型。
网格质量的控制，ABAQUS 软件是通过Verify Mesh 检查模型网格质量，可以检查出分析过程中会导致错误和警告信息的单元，想要获得精确的计算结果，完美的单元质量是必不可少的。
接触关系的建立，人们在建立接触对时，首先要搞清楚主从面的定义，一般选择刚度较大的一面作为主面，柔性材料作为从面，而解析面和刚体面必须作为主面。
碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟
碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟朱亦钢;王晋;张子龙【摘要】为预测复合材料结构的冲击吸能效果,用三维有限元法模拟金属圆柱体冲击碳纤维层合板的过程.层合板被简化为三维正交各向异性材料板；采用Abaqus 提供的vumat等扩展编程接口,用FORTRAN编写程序表征材料的弹性、强度和累积失效,实现动态破坏过程仿真；计算结果与冲击试验结果具有可比性.Abaqus的显式分析方法结合编程接口可用于层合板的冲击吸能仿真,结果的准确性取决于用户建立的材料模型.对不同速度、质量和直径的金属圆柱体的冲击进行计算,结果表明在穿透情况下,随着圆柱体速度的增加,圆柱体的动能衰减增多,而系统动能的减少相对稳定,因此后者更适合于临界速度的计算.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2013(022)002【总页数】6页(P1-6)【关键词】复合材料;冲击;侵蚀;吸能;仿真模拟;有限元【作者】朱亦钢;王晋;张子龙【作者单位】北京航空材料研究院先进复合材料重点实验室,北京100095【正文语种】中文【中图分类】V258.3;TB115.10 引言连续纤维增强的复合材料由于强度高、重量轻而越来越多地应用在航空航天飞行器结构上，新结构设计时需评估飞行壳体和结构对外部或自身失效碎块撞击的抵御能力.物体的冲击破坏是在短时间内发生的动态过程，受到制件和冲击物的材质、形状以及撞击速度等因素影响，实物试验难以模拟各种情况.近年来，随着计算机模拟技术的发展，通过数值仿真方法可以计算出各种预设条件下的冲击过程和效果，从而大量减少实物试验.复合材料结构的冲击分析除考虑一般侵蚀过程所面临的各种影响因素外，还包括材料基体和增强体的不同性能、铺层的各向异性以及损伤失效方式的变化和作用等.虽然Abaqus具有较强的非线性力学计算能力［1-2］，但是对于冲击侵蚀等三维复杂问题，6.9版本的Abaqus/CAE前处理界面中也未提供直接建立模型的完整方法.计算时对材料模型采用平台提供的FORTRAN编程接口技术，冲击接触过程则需要编辑输入文件.1 层合板的低速冲击侵蚀本文研究所用的材料是由T300/3266按0°/60°/－60°等角度进行平面编织的织物并经多层叠放加压、液体方法(RTM)成型的复合材料层合板，试件外形尺寸100 mm×100 mm×10 mm，被金属圆柱体冲击破坏后的情况见图1.冲击物为直径15 mm，高度22.4 mm的钛合金圆柱体，钛合金相对密度为4.5，试验时层合板四边固定在支座上，圆柱体以超过穿透所需的速度垂直冲向层合板，形成如图1所示的破坏形貌.由于条件限制，无法准确得到冲击后圆柱体的速度.采用多试样法经过数个不同速度试样的冲击后，最终测得临界速度 V50为 175 ～195 m/s［3］，当超过临界速度时，圆柱体可以穿透层合板;当小于该速度时，圆柱体被阻挡回弹或嵌入层合板中.层合板在冲击过程中的破坏，先期主要为正面材料的剪切破坏，见图1(a);后期转为背面材料的拉伸断裂，见图1(b).层合板在受到冲击力作用时，材料内部的损伤模式一般归为纤维断裂，基体和层间的开裂、挤裂等.文献中的破坏准则有很多，包括各种不同形式的应力应变破坏准则和断裂力学准则，但目前为止还没有形成统一的认识.［4］2 计算仿真过程本文编织材料的性能未采用单向纤维的细观模拟，而是从解决工程问题角度直接应用编织材料静力学试样的试验数据作为基础材料数据进行计算.Abaqus的力学求解分为隐式和显式两种，对于快速冲击的模拟，适于采用动态的显式求解.图2 层合板与冲击物的模型Fig.2 Model of laminated plate and impact object首先，在模型工具中建立几何体，实体大小为100 mm×100 mm ×10 mm，包括圆柱体结构的模型(见图2).为控制网格划分，应用分区工具partition将几何体分成指定层数的片层，以适应定义不同铺层方向的情况.有限元网格采用三维八节点六面体单元，可选择完全积分C3D8或减缩积分C3D8R.计算表明减缩积分的影响不大，此处采用减缩积分的单元.图3 纤维增强材料模型的方向Fig.3 Direction of fiber-reinforced material model然后建立确定材料方向的局部参考坐标系，纤维增强材料模型的方向见图3.在参考坐标系上定义1方向为编织的经线零度纤维方向;2方向在铺层的面内，与1方向垂直;3方向为厚度方向.Abaqus/CAE中定义层合板材料时，在材料编辑界面材料属性区的general中给定材料密度，再选择 User Material，Depvar以及 User Defined Field，3 个选项分别对应于用户程序vumat的应力计算、积分点的材料状态变量以及获取材料信息的vusdfld程序.由于在vumat中给出的应变是分析步的增量值，当采用应变确定材料损伤时，需通过vusdfld调用接口函数vgetvrm获取总应变量.材料损伤演化过程的简化模型见图4.图中，OA为损伤前载荷增加时的弹性变形阶段;载荷加到A点时达到破坏临界点，继续变形产生损伤破坏;AC段为损伤发展阶段，材料损伤D引起刚度K下降，表现在AC上B点位置的卸载，应力、应变沿OB方向变化，部分纤维的损伤导致模量下降;C点代表材料损伤发展到已完全失效，不能继续承受任何载荷，此时可以选择单元移除.碳纤维层合板在损伤前常表现出较好的线弹性，碳纤维层合板的力学性能参数见表1，表中数值多来源于文献［5］，表中下标t和c分别代表拉伸和压缩;f指增强纤维.图4 材料损伤简化模型Fig.4 Simplified model of material damage表1 碳纤维层合板的力学性能参数Tab.1 Mechanical property parameters of carbon fiber laminated plate?将表1中工程弹性常数变换为张量形式的刚度矩阵，建立层合板的弹性应力-应变关系对于正交材料，刚度矩阵系数与工程常数有以下关系式中:显式计算程序中的剪切模量Gij是张量参数，为工程剪切模量的2倍，与隐式计算刚度矩阵的定义不同.表征复合材料在冲击过程中的4种损伤失效方式分别为:纤维受拉伸时断裂;纤维在压载荷下屈曲和弯折;在横向拉力和剪力作用下的基体开裂;在横向压力和剪力作用下的基体挤裂.损伤起始判据［2，5］可写为表示纤维断裂:表示基体开裂，面内横向拉断:表示基体挤裂，面内横向受压:对于三维问题，可以采用层间剪切和单向材料的横向数据近似代表3个方向上的层间剪切、基体开裂和挤裂，性能数据见表1.材料数据的输入途径有两种，一种定义在交互界面的材料属性中，计算时由软件将其传递到用户程序的prop数组;另一种可以采用parameter语句直接写在用户程序中.用户子程序vumat是针对显式计算 Abaqus/Explicit的材料模型程序，相当于Abaqus/Standard的umat，程序定义形式为:subroutine vumat(nblock，ndir，nshr，nstatev，nfieldv，nprops，lanneal，stepTime，totalTime，dt，cmname，coordMp，charLength，props，density，strainInc，relSpinInc，tempOld，stretchOld， defgradOld，fieldOld， stressOld， stateOld，enerInternOld， enerInelasOld，tempNew， stretchNew，defgradNew，fieldNew，stressNew，stateNew，enerInternNew，enerInelasNew)通过vumat，用户可以定义计算中的材料本构关系，包括损伤失效过程中的性能退化等.方法是根据当前分析步中的真实应变增量，确定材料点的应力，即式中:Dt为材料点的瞬时模量;σt为时间t的应力，对应变量stressOld;Δε为时间增量Δt过后应变的增量，对应变量strainInc;σt+Δt为时间增量Δt过后新的应力，对应变量Stress New.可定义项 enerInelasNew，enerInternNew 和stateNew分别为材料积分点的非弹性耗散能、内能和状态.内能和弹性耗散能可用于分析计算，但不会影响力学计算结果;其他数据项均为只读，是计算中使用的条件状态，具体可参考软件用户子程序部分的帮助文件.strainInc是分析步中的应变增量，通过它可以确定应力增量，从而确定当前应力.但如果计算需要总应变而不只是应变增量，如材料为非线性或发生损伤后的情况在vumat的变量表中没有显示，这时可通过变量查询的应用程序接口vgetvrm获取计算参数，调用形式如下call vgetvrm(‘VAR’，rData，jData，cData，jStatus)变量关键字VAR代表所指定的变量，如代表真应变的关键字是‘LE’;后面几项是具体的数值输出数组，分别用于实型、整形、逻辑标示字符和返回状态等.该函数的调用应在vusdfld子程序中完成，在vusdfld中通过vgetvrm得到的应变数据可用于确定状态变量stateNew.创建分析步时，对话框中选择动态显式分析类型“Dynamic，Explicit”;定义输出变量时，若不希望显示失效单元则选中STATUS.前处理软件Abaqus/CAE定义的接触面只能是物体外表面，外表面接触在冲击开始后材料未发生完全破坏前的计算正确.一旦接触力导致接触点附近的材料完全失效，单元不能继续承载，使得计算中定义的接触表面随之破坏，继续前进的圆柱体前方不再有接触约束.为此，需要定义包括内部单元表面的接触，当表面单元失效时，内部单元成为新的接触面，与圆柱体产生约束作用.但这种定义在当前版本的Abaqus/CAE对话界面中还不能实现，Abaqus/CAE界面中的关键词编辑器也不支持，必须在inp文件中直接定义包括内部单元的接触面.本文在Abaqus/CAE中定义板的单元集合ElemSet，然后在任务模块中先生成inp文件，再修改生成的inp文件，定义包括所有外表面和内表面的接触面surf.接触面的定义形式如下:*Surface，type=ELEMENT，name=Surf，ElemSet，interior其中:ElemSet为之前定义的单元集合名;interior指定这个集合单元中的内表面;Surf为定义的所有接触面集合的名称，关键词下的第一行数据为空，表示包括所有外表面.之后在inp文件的接触定义中将Surf设为接触面，接触定义形式如下:＊＊Interaction:Int-1*Contact，op=NEW*Contact InclusionsSurf*Contact property assignment，，IntProp-1与试验时的情况对应，边界条件采用四边固定的约束.对于动态的显式求解，没有约束时计算也能收敛，表示层合板可以自由移动，计算的结果会有所不同.在载荷模块的预定义场中确定冲击物体的初始速度，因冲击物设置成刚体，故可以将初始速度定义在刚体参考点上;对于弹性的圆柱体则定义所有圆柱体单元的速度. 定义任务和提交计算.此处提交的是经过编辑的inp文件，且在任务编辑界面中给出用户子程序的路径.3 计算结果与讨论钛合金圆柱体冲击复合材料层合板仿真结果见图5，图中失效的单元已被删除.冲击侵蚀的渐进过程见图6，可见冲击初期材料的破坏以剪切为主，之后是背面材料拉断的破坏形式，与通常的观察和分析一致.［5-6］图5 钛合金圆柱体冲击复合材料层合板仿真结果Fig.5 Simulation result of titanium alloy cylinder impact on composite material laminated plate在临界速度下，圆柱体的最终速率会逐渐下降到0或发生回弹，用显式方法直接模拟该速度下的冲击过程不易确定临界值，但可以计算略高于临界速度的冲击.由冲击穿透的剩余速度通过能量方法计算得到等效的临界速度式中:v50，v0和vf分别为运动圆柱体穿透的临界速度、接触之前的初速度和穿过之后的终速度.当圆柱体以200 m/s初始速度冲击层合板时，最终剩余速度为75 m/s，由吸收的动能可换算出相应的临界速度v50为185 m/s.由于试验的个体差异，空气炮冲击试验结果为177～195 m/s［3］，计算结果与试验结果相当.系统动能曲线见图7.图7 系统动能曲线Fig.7 Kinetic energy curve of system应用上述程序和方法，计算不同速度、质量和直径的圆柱体的冲击，冲击计算结果见表2.表2 冲击计算结果Tab.2 Calculation results of impact圆柱体尺寸/mm初速度V0/(m/s)终速度Vf/(m/s)临界速度V50/(m/s)总动能E0/J冲后动能Et/J动能损耗ΔE/J临界速度V50E/(m/s)Φ15 ×22.4 400 313.3 248.7 1 408.8 1 048.0 360.8 202.4 Φ15 ×22.4 350 266.8 226.5 1 078.6 767.0 311.6 188.1 Φ15×22.4 300 208.3 215.9 792.0 491.0 301.0 184.9 Φ15 ×22.4 250 140.9 206.5 550.0 230.0 320.0 190.7 Φ15 ×22.4 200 75.6 185.2 352.0 76.0 276.0 177.1 Φ15 ×22.4 150 －11.7 198.0 2.8 195.2 Φ15 ×11.2 300 126.5 272.0 396.2 131.8 264.4 245.1 Φ15 ×5.6 300 －33.1 199.8 12.6 187.2 Φ7.5 ×22.4 300 171.1 246.4 198.1 92.4 105.7 219.1在较高的速度下，圆柱体的初始动能较大，穿过层合板后，能量的衰减也相对较多.因此，用式(7)进行临界速度验证计算时，选择的V0应接近V50.但从计算出的系统动能看，层合板的损伤吸能为相对稳定的量，Ef与Vf的能量差异为部分动能传到层合板和层合板的碎块上.用整个系统的能量变化计算临界速度式中:E0和Ef分别表示冲击前、后的动能.表2前5行数据中，由系统能量得出的v50E平均值为188.6 m/s.表2中，当冲击能量较低时，冲击物未穿透被弹回，因此最终速度为负值.在相同速度下，冲击圆柱体长度缩短、质量减小时，穿透所需的速度增加.圆柱体的直径减小到7.5 mm，质量也随之减小时，穿透所需的速度虽然也增加，但与相同动能的圆柱体Φ15 mm×5.6 mm相比，在层合板上的损耗较小，v50增加量也相对较小.Abaqus针对复合材料提供唯一的材料失效模型是Hashin方法，该模型只适用于厚度方向没有变化的壳单元，不能用于三维实体.尽管后期版本的Abaqus/CAE为复合材料铺层提供较好的正交材料层合功能，但合成后的材料同样也不支持三维单元的显式求解，需要使用软件提供的FORTRAN接口vumat，由用户子程序定义材料，再在每层单元中设定材料各自的铺层方向.本文的层合板由三轴角度0/60°/－60°的二维编织物在同一方向铺放层压而成，每层之间没有铺层方向的变化，可将层合板整体简化为正交各向异性材料.在此基础上，厚度方向的单元网格划分可越过层间边界，不受层数限制.对于不同方向铺层的单向材料，本文的计算过程依然适用，只是单元网格划分要顾及每层边界，并对每层材料定义各自的材料取向，铺层方向的一次改变至少对应一层网格，单元层数的增加需要较多的计算机资源.在大型有限元分析中，计算成本对网格细分的制约不可避免.对于显式求解，网格细分不仅使单元数量增多，导致计算时间和内存消耗增加，还使稳定时间增量减小，分析相同时间段所需的计算次数增加.稳定时间Δt与最小单元尺度Lmin和波速Cd的关系为显然，层合材料在厚度方向上的小尺度细分将导致运算成本的大幅提高.分析软件的前处理界面未对冲击侵蚀提供完整的处理功能，Abaqus/CAE的选项还不能完成所有前处理工作.复合材料需通过用户程序接口定义材料模型，过程较繁琐.本文模拟计算的方法过程所采用的部分数据是资料中同类材料的典型值，材料数据的准确性必然影响到计算结果的准确性.纤维剪切性能，材料强度及强度理论，损伤后模型，温度及速率等因素都会影响计算的准确性，需深入研究.4 结束语研究用Abaqus模拟非各向同性的编织层压厚板冲击侵蚀三维有限元方法，通过用户程序编写材料模型，分析冲击破坏过程.结果表明:用Abaqus可以对冲击侵蚀问题进行数值仿真，计算结果与试验具有可比性.但当前版本软件的交互界面尚不能完成侵蚀问题的分析，需要进行inp输入文件的编辑操作.模拟复合材料冲击侵蚀，需要一定的扩展编程;同时，准确的仿真求解还需要材料数据表征精准以及模型的深入研究.对不同冲击速度的计算结果显示，同为穿透的情况下，随着速度的增加，冲击物体的动能衰减会增多.整个系统动能的衰减量相对比较稳定，更适于计算临界速度;不同质量和直径的模拟计算结果的趋势符合预期.参考文献:【相关文献】［1］石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析实例详解［M］.北京:机械工业出版社，2006:2.［2］庄茁，由小川，廖剑辉，等.基于Abaqus的有限元分析和应用［M］.北京:清华大学出版社，2009:8.［3］王晋，纪双英，朱亦钢，等.两维三轴编织结构复合材料的弹道冲击性能研究［J］.新材料产业，2011(5):59-62.WANG Jin，JI Shuangying，ZHU Yigang，et al.Study on ballistic curve impact performance of 2D triaxial knit structure composite material［J］.Adv Mat Industry，2011(5):59-62.［4］李树虎，陈以蔚，彭刚，等.树脂基复合材料抗弹性能数值模拟［J］.材料工程，2009(S2):113-118.LI Shuhu，CHEN Yiwei，PENG Gang，et al.Numerical simulation for ballistic performance of resin matrix composites［J］.J Mat Eng，2009(S2):113-118.［5］ROBERTS G D，GOLDBERG R K，BINIENDA W K，et al.Characterization of triaxial braided composite material properties for impact simulation［R］.Cleveland，Ohio:NASA，2009.［6］王晓强，朱锡，梅志远.纤维增强复合材料抗侵彻研究综述［J］.玻璃钢/复合材料，2008(5):47-56.WANG Xiaoqiang，ZHU Xi，MEI Zhiyuan.The development of fiber-reinforced composites under ballistic impact［J］.Fiber Reinforced Plast Composites，2008(5):47-56.。
基于abaqus的板材多点成形起皱缺陷的数值模拟
3.1 材料参数 本文研究对象为单曲率抛物面，其曲面方程为： y = 1 ⋅ x2 (−200 ≤ x ≤ 200) 1000 无压边成形时，板材大小为 440mm×440mm，有
压边圈辅助成形时，板材大小为 550mm×550mm，其 中压边圈的宽度为 30mm。基本体群数量为 11×11， 基本体冲头半径为 20mm，对于弹性垫，将其简化为线 弹性模型。弹性模量为 100MPa，泊松比 0.49，密度为 1150kg/m3。对于压边圈及基本体群，将其设定为刚体， 即不会发生变形。图 2 为带弹性垫的装配体模型，图 3 为带压边圈的装配体模型。 3.2 网格划分
网格划分的好坏对有限元分析结果的精度有很大 影响。在网格划分的过程中有两点值得注意，一是网格 疏密的选择，对于我们不关心或者影响很小的部分，网 格可以划分的疏一点，加快计算机处理速度。对于应力 集中的部位，网格应该划分的密一些。二是单元的选择。 Abaqus 具有丰富的单元库，可以模拟大部分工程材料 的特性。以本文所用的模型来举例，对于薄板，我们采 用 S4R 壳单元来成形，因为我们最关心的是板材的应
在板材多点冲压成形过程中，上下基本体群与板 材接触，将压力施加在板材表面，完成整个冲压过程。 上下基本体群与工件之间的接触很复杂，属于非线性问 题，而且这种接触方式对板材多点成形数值模拟结果影 响很大。有限元软件可以设置使用罚函数法来解决这类 非线性的复杂接触问题。罚函数法的原理是：每一分析 步检查接触的点与主面之间的力，该接触力的大小与穿 透深度及主表面的刚度成正比，称该力为罚函数。在有 限元模型建立过程中，对于基本体群与板材及弹性垫， 弹性垫跟板材之间，压边圈与板材之间的接触条件采用 罚函数法进行接触处理。 3.5 摩擦的定义
基于Python的ABAQUS二次开发及在板料快速冲压成形模拟中的应用
第16卷第4期2009年8月塑性工程学报J OU RNAL OF PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol 116 No 14Aug 1 2009doi :1013969/j 1issn 1100722012120091041013基于Python 的ABAQUS 二次开发及在板料快速冲压成形模拟中的应用(北京航空航天大学飞行器制造工程系,北京 100191) 吴向东 刘志刚 万 敏 王文平 黄 霖摘 要:采用Python 脚本语言对ABAQUS 的前处理模块进行二次开发,讨论了Python 脚本在ABAQUS 二次开发中的作用和调用过程,提出了程序开发的思路及一般步骤。
通过开发针对板料快速冲压成形模拟的Python 脚本程序,使用户能够根据压力机实际参数创建真实加载速度幅值曲线。
结果表明,所开发的程序界面友好,可操作性强。
通过典型冲压成形实例,比较分析结点滑动速度和结点运动速度曲线,证明了有限元软件模拟的真实加载速度可以反映板料和模具之间的滑动速度,为后续的实际试验提供分析依据。
关键词:Python ;ABAQUS ;快速冲压;二次开发中图分类号:T G 38613+5 文献标识码:A 文章编号:100722012(2009)0420068205Study and development on the application of ABAQUS in thesheet metal rapid forming simulation based on PythonWU Xiang 2dong L IU Zhi 2gang WAN Min WAN G Wen 2ping HUAN G Lin (Beihang University ,Department of Aircraft Manufacturing ,Beijing 100191 China )Abstract :Python scripting language was used for pre 2processing module of ABAQUS for secondary development ,the role of Py 2thon script and the call process was discussed in the ABAQUS secondary development ,the development of ideas and general steps was put forward.Through the Python script for the sheet metal rapid forming simulation ,an effective solution was proposed to allow users creating true loading rate amplitude according actual press parameters.The results showed that the procedure was f riendly and feasible.Through a typical Stamping example ,compared and analyzed the node slip velocity curve and translational velocity curve.It proved the truth that the true loading rate simulating by Finite element software can reflect the slip velocity be 2tween sheet metal and die ,providing the basis for the follow 2up analysis in actual testing.K ey w ords :Python ;ABAQUS ;rapid forming ;second development吴向东 E 2mail :xdwu @buaa 1edu 1cn作者简介:吴向东,男,1970年生,北京航空航天大学机械学院,副教授,主要从事先进塑性成形工艺与装备技术的研究收稿日期:2008211218;修订日期:2009201210 引 言为适应汽车工业大规模、快速、敏捷生产的需求,以东风日产等为代表的日系汽车厂逐步引进了快速冲压生产线,冲压频率由原来的每分钟7次提高到每分钟12次,冲压速度提高了近一倍,同时也提高了单线产能和模具利用率,但由于缺乏汽车钢板快速冲压成形特征的研究与掌握,对速度提高所引起的拉薄、拉裂问题,无法提供有效的工艺改进措施及模具改善方案。
基于ABAQUS软件的热冲压成形接触问题分析
基于ABAQUS软件的热冲压成形接触问题分析1. 引言1.1 背景介绍热冲压成形是一种重要的金属压制加工方法，广泛应用于汽车制造、航空航天等领域。
热冲压成形可以在金属板材加工过程中实现快速成形和高精度，同时也能改善材料的塑性变形性能。
热冲压成形接触问题是该工艺中的关键问题之一，直接影响产品质量和加工效率。
通过对热冲压成形接触问题的深入研究，可以优化工艺参数，提高成形质量和效率，降低生产成本。
目前，随着计算机仿真技术的发展，研究人员可以利用ABAQUS 等有限元软件对热冲压成形接触问题进行数值模拟分析。
通过建立合适的模型和边界条件，可以模拟实际加工过程中的力学行为和热传导过程，得到准确的结果。
基于ABAQUS软件的热冲压成形接触问题分析已经成为研究的重要方向，有助于揭示工艺中的关键问题，指导实际生产中的操作。
1.2 研究目的热冲压成形是一种先进的金属成形工艺，在汽车、航空航天和其他工业领域具有广泛应用。
研究旨在探讨基于ABAQUS软件的热冲压成形接触问题分析方法，以提高热冲压成形工艺的效率和成形质量。
具体目的包括：1. 分析热冲压成形中的接触问题，探讨接触压力分布、接触变形和接触面积等关键参数对成形质量的影响。
2. 建立热冲压成形接触问题的数值模拟方法，深入研究不同参数下的接触行为，为优化工艺提供理论依据。
3. 开展热冲压成形接触问题的实例分析，验证数值模拟方法的准确性和可靠性，为工程实践提供指导。
通过对热冲压成形接触问题的深入研究，旨在为提高热冲压成形工艺的稳定性、成形精度和生产效率提供理论支持，推动热冲压成形技术的进步和发展。
1.3 研究意义热冲压成形是一种在汽车工业、航空航天等领域广泛应用的先进制造工艺，其通过将金属材料在高温下进行塑性变形，以获得复杂形状和高强度的零部件。
研究热冲压成形接触问题对于优化成形工艺、提高产品质量和降低生产成本具有重要意义。
研究热冲压成形接触问题可以帮助了解成形工艺中材料之间的接触行为，验证成形过程中的接触压力分布和接触面积变化等参数。
基于Abaqus的VRB板冲压成形数值模拟研究
图 1 板料柔性轧制
B
L1
L2
L3
L
T
t
（a） 模型装配图
（b） 坯料
注： 1— ——凸 模； 2—— —平板 压边 圈； 3—— —实 体 单 元 板 料 ； 4— ——壳单元板料 （具体用哪种依据仿真单元而定）；5 凹模。
图 2 有限元模型及坯料
材料
B210P B210P
表 1 材料性能参数
厚度 （mm）
2 1
杨氏模量 （GPa）
210 210
泊松比
0.3 0.3
屈服强度 抗拉强度 （MPa） （MPa）
240
421
265
412
n值
0.265 0.241
【作者简介】张波，男，广西人，本科，任职于上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，研究方向：车身结构设计、车身轻量化设计。
76 qiyekejiyufazhan
2019 年第 6 期（总第 452 期） 过渡区材料的屈服变小，而靠近薄测的过渡区材料的屈服增 大，故在冲压过程中，由于靠近薄侧的过渡区材料抵抗塑性 变形的能力增加，所以薄测圆角区域的开裂趋势增加。
5.1.2 圆角区域减薄 减薄率云图显示最大减薄率在盒形件的 4 个圆角处 （如
图 10 所示）。 3 种离散程度情况下 4 个圆角处的减薄率数值如图 11 所
基于Abaqus的复合材料板冲击特性分析
基于Abaqus的复合材料板冲击特性分析作者：朱东俊葛亮刘莹叶亚龙来源：《计算机辅助工程》2013年第05期摘要：基于Hashin准则，用Abaqus建立玻璃纤维/环氧树脂复合材料板的冲击仿真计算模型，分析材料在不同冲击能量、冲击质量与冲击速度影响下的初始损伤和损伤演化特性.通过对比发现仿真计算结果与试验结果吻合较好，表明该仿真计算模型对此材料的冲击预测有效.关键词：复合材料；冲击；损伤； Abaqus中图分类号： V214.8； TB332文献标志码： B0引言复合材料因具有比强度高、比刚度高和可设计性等特点，在许多重要的工程结构中得到广泛应用，其中，复合材料层合板是常用于机身的典型结构.复合材料常以板壳形式存在于结构件中，很容易受到垂直于板面的载荷作用，冲击载荷就属于这类载荷.冲击对复合材料层合板造成的损伤会使结构的力学性能退化，严重威胁飞机机体的安全.因此，对复合材料的冲击特性进行研究显得尤为重要.早期复合材料冲击特性研究大多集中于低速冲击分析，国内外学者均对此进行大量的试验和数值研究工作.CHOI等[1]通过试验研究层合板受冲击时基体开裂与分层之间的关系，认为基体裂纹是层合板受冲击后的初始损伤形式，外层的基体裂纹主要是由弯曲作用产生的；HOSSEINZADEH等[2]等对几种纤维增强复合材料进行冲击试验，观察其冲击损伤面积和形状，并对试验模型运用LSDYNA进行仿真模拟；MOURA等[3]进行碳/环氧层合板的低速冲击试验，研究发现，层合板在低速冲击下的主要损伤形式为分层和横向裂纹；BOSTAPH等[4]在层合板低速冲击分层问题研究中估算其分层扩展，并对其损伤模型进行数值模拟，探究其低速冲击特性；WU等[5]在层合板冲击问题的研究中建立冲击模型，模拟局部分层形状，研究其冲击特性；KARAKUZU等[6]进行玻璃纤维/环氧树脂复合材料的冲击试验，观察在不同冲击能量、质量和速度下复合材料板的冲击损伤特性，并建立三维模型进行相关数值模拟；宁荣昌[7]对复合材料冲击损伤问题从冲击损伤、试验技术等方面展开简要论述，并对其冲击特性问题研究现状进行介绍、归纳；张彦等[8]对复合材料在横向低速冲击作用下的损伤和变形机理进行研究，并提出一个可靠的数值计算模型.本文运用Abaqus软件[9]展开分析，建立复合材料冲击模型，并对冲击模型的有效性进行验证，预测复合材料在冲击载荷下的损伤等特性.1模型失效准则对复合材料冲击特性研究，关键是对模型损伤失效分析.目前，对于复合材料的损伤失效分析，无论是在试验，还是理论研究，都不够充分，使其研究应用受到一定的限制.在实际结构中，层合板是复合材料结构的基础，而单层板又是层合板的基础，因此，复合材料单层板的失效预测和损伤规律的研究工作，对复合材料的冲击特性研究分析具有重要意义.单层板的常用破坏准则主要有5种：最大应力理论、最大应变理论、TsaiHill准则、Hoffman准则和TsaiWu张量准则[10]等.各种破坏准则都是利用单向板纤维复合材料在不同载荷下的强度得到的，这些理论单纯认为只要应力满足条件，单层板就会立即破坏，破坏前没有任何损伤发生.实际上，单层板的失效是损伤演化过程，当应力满足一定条件时发生损伤，应力继续增加，损伤不断扩展，当载荷达到极限时，单层板破坏.[11]由1层铺层（单向板）或几层材料与铺设角均相同的铺层黏结而成的层合板均称为单层板，对于单层板的失效，忽略其层间应力的影响，采用二维Hashin准则对单层板拉伸过程进行损伤判定.二维Hashin准则表示如下：2模型建立2.1有限元冲击模型参照KARAKUZU等[6]的试验数据，层合板尺寸为76.2 mm×76.2 mm，单层板厚度为0.36 mm，共8层，铺层方式为[0/30°/60°/90°]s，层合板材料参数见表1.表 1复合材料参数ρ/（g/cm3）1.83E11/GPa40.51E22/GPa13.96G12/GPa3.10ν120.22δ12/MPa69.00δt，x/MPa783.30δc，x/MPa298.00δt，y/MPa64.00δc，y/MPa124.00δ1/MPa38.00采用大型有限元软件Abaqus对复合材料层合板进行冲击模拟分析.由于该复合材料板的宽薄比大于10，属于薄壁结构，因此在Abaqus中使用壳单元模拟描述，不仅可以节省计算成本，而且可获得高准确度的结果.冲击中心区域网格变形较为剧烈，为提高计算精度，在网格划分阶段对冲击中心区域网格进行细化处理，然后依次过渡网格尺寸到边界区域，可以在保证网格质量的同时减少计算时间.冲击密化区域的层合板网格尺寸为1 mm×1 mm×1 mm.层合板边界设置参照试验，四周边界采用绞支约束，即只限制四边的3方向位移，不约束四边的旋转自由度.冲头模型为12.7 mm的钢质半球形冲头.由于在冲击过程中不需要考虑冲头的变形，冲头的单元类型取二维解析刚性体.通过在冲头上设置参考点并施加点质量，然后在点质量上施加速率，即根据公式E=mv2/2将冲击能量施加于冲头上.参照试验，分别考虑在相同的冲击能量、相同的冲击质量和相同的冲击速度下的试验影响.对于相同的冲击物质量和冲击能量，进行9个主要试验，每个试验重复3次，以确保试验数据的可靠性.冲击速度的值取决于冲击质量和能量，本文选取几种典型冲击工况进行模拟分析，其冲击速度数值参见表2.在冲击过程中，冲头与复合材料板之间是硬接触，会引起接触单元失效，故采用普通硬接触算法.模型采用二维Hashin失效准则，冲击模型见图1.表 2典型试验工况下冲击速度冲击能量/J相同冲击速度（2 m/s）通过对表2中的几种典型冲击工况进行模拟，得到其冲击过程中典型时刻复合材料层合板的von Mises应力分布，见图2.可知，在冲击作用下，应力波在复合材料层合板中，从冲击中心区域分别沿平板表面方向与垂直于平板表面的方向传递.由于在计算初始时刻定义材料的失效模式，因此，当单元中的应力超过其极限值，单元就会发生失效破坏.对0铺层分析，其纤维铺层von Mises应力分布见图3.可知，在0方向的纤维铺层中，von Mises应力等值线大致呈现“花生”形状分布，而国内外大量复合材料冲击试验研究所得到的表面损伤结果均呈此形状[12].同时从KARAKUZU试验所得的分层损伤试验结果看，这一结论也得到验证，从而证明本文所建立的数值模型的有效性和合理性.为进一步验证本文所采用的数值计算方法的有效性和准确性，将本文的冲击力计算结果分别与KARAKUZU等[6]的试验结果及其进行的三维数值模拟结果进行对比分析，见图4.由图4可知，在复合材料层合板的低速冲击过程中，冲击力的时间历程一般可分为2个阶段：一个是冲压阶段，此阶段冲击力不断增加，最终达到冲击力峰值点；另一个是反弹阶段，此阶段冲击物开始反弹，并逐渐脱离复合材料层合板，冲击力逐渐衰减，直至冲击物完全脱离平板表面而降为0.可以观察到，在冲压阶段，本文的数值模拟结果与试验结果契合度良好，并且所得到的冲击力峰值与试验结果也有较好的吻合度，与KARAKUZU等的三维数值模拟结果相比，更接近于试验值，也说明模型能够良好地描述冲击损伤初始阶段，从而进一步验证本文所建立的复合材料层合板冲击过程数值模型的有效性和准确性.在反弹阶段，本文的数值计算结果与试验结果相比略有差异；进入冲击损伤演化阶段，材料出现刚度退化并导致失效.在本文的计算结果中，冲击接触时间更长，冲击过程稍显滞后，导致达到冲击力峰值点时对应的时刻与试验值相比稍显滞后.从计算结果与试验结果的对比看，本文所建立冲击模型的计算结果仍是准确、可靠的.4结论（1）本文基于Hashin失效准则建立复合材料板冲击模型，相比于KARAKUZU等的三维模型，在模拟复合材料板冲击过程中，无论是在冲击损伤初始阶段，还是冲击力峰值，均与试验情况吻合良好，验证冲击模型的可靠性.（2）现有的冲击损伤失效理论都还不够完备，在复合材料冲击损伤演化阶段，要实现对复合材料模型的精确描述更是相当困难，因此在数值计算中，本文和KARAKUZU等建立的数值模拟均与试验结果有所差异，不过依然可以对复合材料板的冲击特性进行有效预测.（3）运用Abaqus软件进行复合材料板的冲击特性模拟过程中，对Hashin准则进行修正、改进，有望利用本文建立的冲击模型获得更加良好的模拟效果.参考文献：[1]CHOI H Y， WU H Y T， CHANG F K. A new approach toward understanding damage mechanisms and mechanics of laminated composites due to lowvelocity impact： Part II： analysis[J]. J Composite Mat， 1991， 25（8）： 10121038.[2]HOSSEINZADEH R， SHOKRIEH M M， LESSARD L. Damage behavior of fiber reinforced composite plates subjected to drop weight impacts[J]. Composites Sci & Technol， 2006，66（1）： 6168.[3]de MOURA M， MARQUES A T. Prediction of low velocity impact damage in carbon：epoxy laminates[J]. Composites Part A： Appl Sci & Manufacturing， 2002， 33（3）： 361368.[4]BOSTAPH G M， ELBER W. A fracture mechanics analysis for delamination growth during impact on composite plates[C]//Proc Symp Composites. Boston， 1983.[5]WU H Y T， SPRINGER G S. Impact induced stresses， strains， and delaminations in composite plates[J]. J Composite Mat， 1988， 22（6）： 533560.[6]KARAKUZU R， ERBIL E， AKTAS M. Impact characterization of glass/epoxy composite plates： an experimental and numerical study[J]. Composites Part B： Eng， 2010， 41（5）：388395.[7]宁荣昌. 复合材料冲击损伤问题的研究现状[J]. 玻璃钢/复合材料， 1992（6）： 3540.[8]张彦，朱平，来新民，等. 低速冲击作用下碳纤维复合材料铺层板的损伤分析[J]. 复合材料学报， 2006， 23（2）： 150157.[9]庄茁，由小川，廖剑晖，等. 基于Abaqus的有限元分析和应用[M]. 北京：清华大学出版社， 2009.[10]张少实，庄茁. 复合材料与黏弹性力学[M]. 北京：机械工业出版社， 2005.[11]SUN C T， TAO J. Prediction of failure envelopes and stress/strain behaviour of composite laminates[J]. Composites Sci & Technol， 1998， 58（7）： 11251136.[12]张彦中，宁荣昌. CFRP层板的落重冲击分层损伤研究[J]. 航空材料学报， 1996， 16（2）： 5761.（编辑陈锋杰）第22卷增刊22013年10月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.22 Suppl.2Oct. 2013。
碳纤维复合材料板热冲压成形试验研究木-相关而且一样-模具也一样
进行了连续自增强聚丙烯基复合材料板热冲压试验 研究，成形复合材料圆顶模型，研究表明热冲压成 形复合材料件所需成形力小，层内剪切是成形的主 要变形机制。ＡＬＣＯＣＫ等【ｌ ０】通过热冲压直接成形简 单复合材料件，无需昂贵的热压工艺，对高强度复 合材料板直接进行热冲压，研究表明复合材料件可 直接成形，温度和压力是复合材料板成形的主要影 响因素，并且热冲压成形更加节省能源。上述成形 方法比传统方法的成形效率明显提高，但是成形中 均需要将复合材料板置于一个外部加热箱均匀加热 到指定温度，操作过程比较复杂，能耗大，且成形 控制要求高。本文提出一种通过非等温加热模具接 触传热将复合材料板与模具接触区域加热软化，并 随着冲头运动逐步成形复合材料件的新方法。针对 复合材料板热冲压成形中的拉深工艺，研究典型球 面形复合材料件拉深过程，预测复合材料板拉深变 形极限。通过测量纤维编织材料流动剪切角变化， 研究增强纤维的成形性能，并通过控制温度变化，
冲头
压边圈 试件 模具
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图１ 非等温模具热冲压过程
２纤维编织材料力学性能试验研究
碳纤维复合材料的成形性能很大程度取决于 增强纤维，纤维束在冲压过程相互交织和扭转，当 相交纤维束夹角达到临界值（锁定角）时就会出现皱
图３纯剪切试验过程
只＝五Ｆ面
（１）
ｙ：兰一２０：三一２ａｒｃｃｏｓ—～／２Ｌ—＋８ （２）
‘。
２
２
２三
试验中对试样形态进行连续拍照，获得试样在
不同拉伸位移下的剪切角大小，并与关系式（２）中的
计算值进行比较。如图５所示，随着拉伸位移增加，
abaqus碳纤维复合材料结构
Abaqus碳纤维复合材料结构1. 概述碳纤维复合材料是一种具有优异性能的先进材料，它在航空航天、汽车工业、体育器材等领域得到了广泛应用。
在工程设计中，对碳纤维复合材料结构的性能和可靠性进行准确的评估至关重要。
Abaqus是一种常用的有限元分析软件，能够对复材结构进行准确的模拟和分析，因此对于碳纤维复合材料结构的研究至关重要。
2. 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料由高强度的碳纤维和塑料基体组成，具有重量轻、强度高、刚性大、耐腐蚀、抗疲劳等优点。
然而，碳纤维复合材料的非均匀性和复杂的结构使得其性能表现和预测变得更加复杂。
需要借助有限元分析等方法进行深入研究。
3. Abaqus对碳纤维复合材料结构的模拟Abaqus作为有限元分析软件，具有强大的建模和分析能力，能够对碳纤维复合材料的结构进行准确的模拟。
通过Abaqus可以建立复材层合板、复材蜂窝结构、复材夹芯板等常见的复材结构模型，并进行受力性能、疲劳寿命、断裂行为等方面的分析和预测。
4. Abaqus在碳纤维复合材料结构中的应用Abaqus在碳纤维复合材料结构领域有着广泛的应用，例如在航空航天领域，可以利用Abaqus对飞机机翼、机身等结构的复材部件进行受力和疲劳寿命分析；在汽车工业领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料车身、悬挂系统等部件进行强度和刚度分析；在体育器材制造领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料网球拍、高尔夫球杆等产品的性能进行模拟和预测。
这些实际应用表明Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的重要性和价值。
5. Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的挑战和展望尽管Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中取得了显著的成果，但仍然面临一些挑战，如对复材材料本身非线性、破坏行为、界面效应等方面的准确建模和模拟；另外，随着复材结构的复杂化和应用领域的拓展，需要Abaqus不断更新和完善其建模和分析能力，以满足不断增长的复材结构仿真需求。
基于ABAQUS的板料冲压回弹模拟研究
基于ABAQUS的板料冲压回弹模拟研究刘先兰;张文玉;伍杰;杨辉;晏恒煊【摘要】采用ABAQUS有限元分析软件,建立强度比值为1.0、0.8和0.5的几种拼焊板进行数值模拟,分析冲压成形回弹角的变化规律.结果表明:板材屈服强度为100MPa、强度比为0.5时,回弹角最小为2.0..板材强度一定时,回弹角随着强度比的增加而增加.强度比值一定时,回弹角随着板材屈服强度的增加而线性增加.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2016(051)005【总页数】2页(P83-84)【关键词】冲压成形;回弹;数值模拟;强度比;拼焊板【作者】刘先兰;张文玉;伍杰;杨辉;晏恒煊【作者单位】湖南工学院机械学院,湖南衡阳421002;湖南工学院机械学院,湖南衡阳421002;湖南工学院机械学院,湖南衡阳421002;湖南工学院机械学院,湖南衡阳421002;湖南工学院机械学院,湖南衡阳421002【正文语种】中文【中图分类】TG386拼焊板冲压成形技术实现了零件的高度复合化，成为实现汽车轻量化的重要途径之一[1]。
在强化车身局部强度、刚度的同时，降低了汽车的生产成本，应用前景非常广阔[2，3]。
然而，拼焊板的使用提高了冲压成形技术的难度，如冲压成形过程中的回弹、破裂和起皱等缺陷[5]。
本文通过采用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟，建立强度比值不同的几种拼焊板模型，分析其成形性能的影响因素，找出冲压变形规律，为生产实践提供指导。
冲压模拟过程如图1所示。
以强度分别为300MPa、200MPa和100MPa的板料，建立拼焊板三维模型的强度比值分别为1.0、0.8和0.5，杨氏模量100000MPa，泊松比0.3，摩擦系数0.05。
图1a表示冲压成形结束时冲头还未离开板材时的状态，对应板材的弯曲角度如图2a所示，即回弹前的角度；图1b表示冲压成形结束后冲头离开板材时的状态，对应板材的弯曲角度如图2b所示，即回弹后的角度。
基于Abaqus的冲压模具仿真
板件冲压成型分析一、背景描述当前，制造行业加工工艺的趋势正朝着高新技术的方向发展。
由于新产品、新技术的开发成本太高、开发时间过长，加上开发成果没有保障，越来越多的公司在研发、制造过程中开始注重仿真技术的应用。
采用ABAQUS对加工工艺进行模拟有着诸多优点：1.数值模拟减少了耗时的原型实验，缩短了产品投放市场的时间；2.合理的参数设计可以降低对工件的损耗；3.合理的坯料设计，减少了飞边，也减少原材料的浪费；4.对模具的设计、加工提供合理建议；5.优化加工过程，提高产品成型质量；采用ABAQUS进行仿真模拟的目的：1.节约开发成本2.加快研发速度3.提高产品质量二、问题描述1、本实例是关于板件的冲压成型仿真模拟，图1为拉延模具三维实体，图2为模具上模的刚性实体，图3为模具下模的刚性实体，图4为模具压边圈的刚性实体，图5为毛坯的初始形状，其中定义上模、压边圈、下模为离散刚性的，即在模拟过程中假设这几个部件不发生变形，只有毛坯件发生变形，完成冲压，在分析过程中定义毛坯为可变性的。
图1 拉延模三维模型图2 模具上模刚性实体图3 模具下模刚性实体图4 压边圈刚性实体图5 毛坯初始形状2、将上述模具四部分进行装配，其中上模在最上端，下模在最下端，压边圈在下模上，毛坯在压边圈下方下模上放着，在模具冲压的过程中，下模固定不动，由上模向下运动来实现板料的冲压成型，压边圈在上模下压之前已将将板料压紧，防止板料在拉伸的过程毛坯串动，和提高拉伸后型面质量。
拉着板料的边缘，使拉伸时板料不易起皱。
下图6模具为在abaqus中的装配体。
图6 模具装配体3、定义毛坯的材料属性，进入属性模块，定义新材料名称为steel，该材料的密度为7.85E-9，杨氏模量为210000，泊松比为0.31，定义塑性属性为图7所示，True stress (MPa) Log plastic strain91 0.0131 0.159 ⨯ 10-2171 0.649 ⨯ 10-2211 0.177 ⨯ 10-1251 0.395 ⨯ 10-1291 0.776 ⨯ 10-1331 0.139391 0.295图7 材料的属性定义4、创建截面类型别壳，类型为均质的截面，同时将截面特性赋予给毛坯。
用abaqus做热加工成型的模拟
5/10/2014Safety Component Bending15/10/2014Safety Component BendingForming processes modeling with ABAQUS5/10/2014Safety Component BendingForming processes modeling with ABAQUSSTEP 15/10/2014Safety Component Bending7Forming processes modeling with ABAQUSImport the surfaces “outil” and the “serre flanc”as rigid discrete surfaces5/10/2014Safety Component BendingX RPForming processes modeling with ABAQUSDivide a face on the cylindrical hole of the componentSelectpartionning toolSelectFaces to partitionMaintain shift keyfor multiple selectionSelect edgeFor sketch In the sketch draw line Threw the middle of the face1234567Be careful not to have too many points5/10/2014Safety Component Bending 13Define material propertiesElastic PlasticForming processes modeling with ABAQUSApply material properties to the component12345Select the componentAnd “done”5/10/2014Safety Component Bending 17Import parts in assemblyWith the Query tool, verify clearance between the partsClearance between parts and holders must be equal to 1mmIf necessary move and adjust the parts positions and/or orientationsTranslate instanceMating toolRotate instanceXZ YTranslate “Outil”So that his distance to “Sup”In the z direction is 2.1Forming processes modeling with ABAQUSSTEP 4STEP MODULELoad historyDon’t forget to save your CAE File to “Boucle.CAE”Choose static generalActivate NLGEOM(to be able to manage contact)Adjust incrementationRepeat operation to create 4 stepsRename the steps :-Step 1 : Holder press-Step 2 : bending 1-Step 3 : bending 2-Step 4 : bending 35/10/2014Safety Component Bending19Safety Component Bending21Forming processes modeling with ABAQUSCreate contact pairsCreate display groupWith only the two instancesFrom which surface contact pairs belong5/10/2014Safety Component Bending23Create contact pairs Maintain the shift key to select the three surfaces of the rigid instanceIn this case select brown which is the contact side2345Adjust contact properties1Forming processes modeling with ABAQUSCreate contact pairsRepeat the operation for the others contact pairsVerify the contact/steps assignmentIn this case, contact pairs must be active in all the steps2Apply Fixed condition to the middle edges of the cylindrical holeas shown on the figureRP InfXRP OutilXRP SupX1RP InfRP OutilRP Sup5/10/2014Safety Component Bending27Apply boundary conditionsOn the reference points apply the displacement For all steps U2,U3,UR1,UR2,UR3 are fixed to zeroStepsInitial Holder press Bending1Bending2Spring back RP outil X 0.0-10-200RP sup X -0.5-0.5-0.5-0.5RP infX+0.5+0.5+0.5+0.5U1 is applied as a function of steps respecting the following table RP sup RP inf RP outilForming processes modeling with ABAQUS5/10/2014Safety Component Bending291Mesh the deformable body2134Mesh the bodySeed (discretization size 1) the edgesChoose tetraedral shapeChoose 3D mediumForming processes modeling with ABAQUS4Mesh the discrete rigid bodies12Mesh the bodySeed the edgesApply the same methodFor meshing the three rigid bodies5/10/2014Safety Component BendingForming processes modeling with ABAQUSDon’t forget to save your CAE File to “Boucle.CAE”STEP 8JOB MODULESafety Component Bending33Job create and submitSafety component bending simulationBoucle12Submit JobCreate JobMessages files : “job_name.msg” or “”job_name.Dat”Here “Job_name” = “boucle”Newton-RaphsonIterations (implicit solver)5/10/2014Safety Component Bending3512View results in real timeForming processes modeling with ABAQUSView results : plastic strain At the end of bending operationView results : DisplacementThe endDon’t forget to save your CAE File to “Boucle.CAE”5/10/2014Safety Component Bending37。
基于ABAQUS软件的热冲压成形接触问题分析
基于ABAQUS软件的热冲压成形接触问题分析1. 引言1.1 背景介绍热冲压成形是一种应用广泛的金属加工工艺，通过热冲压设备将金属板料在高温和高压条件下进行塑性变形，形成复杂的零部件。
热冲压成形因其能够提高材料流动性、减轻成形难度和提高零件质量等优点而备受关注。
随着工程领域对高强度、高可靠性零部件需求的增加，热冲压成形技术的研究也日益深入。
在实际生产过程中，热冲压成形接触问题一直是制约该技术进一步发展的关键因素之一。
在复杂的金属成形过程中，工件与模具之间的接触状态直接影响到成形零件的质量和成形稳定性。
针对热冲压成形接触问题的研究显得尤为重要。
本文将利用ABAQUS软件建立热冲压成形接触问题的数值模型，分析其局限性并提出改进方法，以期为解决热冲压成形中的接触问题提供新的思路和方法。
通过本文研究，可以更好地理解热冲压成形过程中的接触问题，提高工件成形质量和生产效率。
1.2 问题提出在热冲压成形过程中，接触问题一直是一个关键的研究领域。
由于材料在高温高压下的复杂变形和流动行为，接触面附近往往会出现复杂的应力和变形场，这可能导致成形品质下降甚至成形失效。
如何准确地描述热冲压成形接触问题，对于提高成形质量和效率具有重要意义。
目前，虽然已经有许多研究对热冲压成形接触问题进行了分析和探讨，但仍存在一些问题有待解决。
传统的理论分析方法往往过于简化，难以准确预测复杂接触条件下的材料行为；而实验方法在成本和时间上均有限制，无法全面地了解接触问题的本质。
利用ABAQUS软件对热冲压成形接触问题进行数值模拟和分析，可以提供一种有效的研究手段。
在本文中，我们将重点讨论基于ABAQUS软件的热冲压成形接触问题分析，探讨其在理论基础、数值模型建立、局限性分析和改进方法等方面的研究内容。
通过对这些问题的深入探讨，可以为提高热冲压成形技术的应用水平和成形品质提供重要参考。
1.3 研究意义热冲压成形是一种在金属材料加工中广泛应用的新型成形工艺，具有高效、节能、高精度等优点。
在ABAQUS中的纤维增强复合材料建模模块
在ABAQUS中的纤维增强复合材料建模模块（CMA）newmaker在此模块中直接融合纤维增强复合材料仿真计算与建模的最新技术发展通过提供功能强大的纤维增强复合材料计算仿真能力，和先进的建模方法，Simulayt的Layup Pipeline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。
纤维增强复合材料模拟有重要的作用，它确保在建模初始就不能生成工艺上不可制造的铺层。
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。
目前，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，实现详细的仿真计算。
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保真度。
最后，对Simulay的Layup Pipeline 的直接调用，使复合材料结构的分析、设计和制造完美的结合在一起。
比如，如果需要的话，由Abaqus/CAE创建的模型可以直接倒入到CATIA V5中进行细节设计。
通过精确的模型转换，可快速实现设计上的反复，从而提高整个研制过程的效率。
性能1992年得到业界认可，Simulayt的纤维增强复合材料仿真技术发展水平Abaqus模拟中对纤维角度和铺层厚度的直接转换实现了前所未有的准确度。
在快速设计改良中可以迅速回顾并修改复合材料模型。
生成制造数据以确保分析模型与最终结构相符合。
凭借Layup Pipeline模块与其他环节的直接融合能力，实现了整个企业紧密联系。
优点建模过程中不能生成工艺上不可制造的铺层，避免了由设计得不可行带来的成本。
通过提高模型的仿真度以及降低设置时间来实现快速设计改良。
企业中分析、设计和制造的无缝连接提高整个研制过程的效(end)。
abaqus复合材料建模材料参数
Abaqus复合材料建模材料参数一、引言本文档旨在介绍如何在A ba qu s中建立复合材料模型以及相应的材料参数设置。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料按一定的方式组合而成，具有轻质、高强度、高模量等特点，在航空航天、汽车工程等领域得到广泛应用。
二、复合材料建模方法1.宏观模型在A ba qu s中，建立复合材料模型的一种常用方法是使用宏观模型。
该方法将复合材料视为等效各向同性材料，通过指定等效材料的弹性常数和热膨胀系数来描述其宏观性能。
2.细观模型对于复材的更精细模拟，可以采用细观模型。
细观模型考虑了材料内部的细观数值，常用的方法包括单元层模型和单元纤维模型。
三、复合材料模型参数设置1.宏观模型参数设置宏观模型中的材料参数包括弹性常数和热膨胀系数。
弹性常数包括Y o un g'sM od ul us（杨氏模量）、Sh ea rM o du lu s（剪切模量）和P o is so n'sR at io（泊松比）。
热膨胀系数描述了材料在温度变化时的尺寸变化情况。
2.细观模型参数设置在细观模型中，除了上述宏观模型参数外，还需要设置与材料内部细观数值相关的参数。
例如，单元层模型需要设定层间剪切刚度和层内剪切刚度，单元纤维模型需要设置纤维体积分数、纤维方向和纤维间隔等。
四、复合材料模型示例下面通过一个简单的示例来说明复合材料模型的建立和参数设置过程。
1.示例问题描述考虑一个平面应力状态下的复合材料层合板，包含两层材料：上层为碳纤维复合材料，下层为环氧树脂基复合材料。
2.宏观模型参数设置示例对于这个示例，我们可以使用宏观模型来建立模型。
假设上层和下层材料的弹性常数已知，分别为：上层材料：-Y ou ng's Mo du lu s:200G Pa-S he ar Mo du lu s:80G P a-P oi ss on's Ra ti o:0.2下层材料：-Y ou ng's Mo du lu s:50GP a-S he ar Mo du lu s:20G P a-P oi ss on's Ra ti o:0.3同时，我们需要给定材料的热膨胀系数，用于考虑温度变化对材料性能的影响。
基于ABAQUS的复合材料修补裂纹板的仿真分析
基于ABAQUS的复合材料修补裂纹板的仿真分析摘要：本研究对碳纤维增强复合材料(CFRP)修复含裂纹板的力学性能进行了仿真研究。
复合材料修补含裂纹结构因其修复效果明显、可靠性强已被广泛应用，该修复技术可以降低裂纹处应力集中、增强裂纹结构承载能力、延长使用寿命。
使用ABAQUS有限元软件进行建模，用CFRP补片对裂纹板进行双面修复，裂纹板所受的载荷通过胶层均匀传递给CFRP补片。
结果表明，修补后裂纹板的极限强度和实验基本吻合，明显提高了裂纹钢板的力学性能。
表明本文采用的有限元仿真方法能够准确的模拟CFRP修补裂纹板。
关键词：CFRP补片；裂纹板；极限强度；有限元仿真0.引言目前，复合材料修补裂纹结构技术已经在全球范围采用。
相比传统的机械紧固，复合材料补片具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等优点，并且粘贴复合材料补片可以明显缩短修补时间、降低成本、提高效率、避免产生新的应力集中。
杨孚标[1]进行了复合材料修复铝合金板的静态力学性能试验研究。
经过双面胶接修复后，其破坏强度提高了很多。
复合材料补片的胶接修复能有效恢复铝合金裂纹板的静态力学性能。
Xi和Wang[2]研究复合材料加固开孔复合材料板的拉伸性能，建立了三维渐进损伤模型，修补后的结构强度随修补厚度的增加而增加。
岳清瑞等[3]进行了CFRP加固修复含缺陷钢结构静力拉伸实验研究，粘贴碳纤维布加固后其屈服荷载均有不同程度的提高。
张彤彤[4]进行了CFRP加固含裂纹钢板静态拉伸试验分析，同时将有限元仿真和试验过程及结果进行对比，结果表明有限元方法可准确有效地模拟加固组试件CFRP剥离、钢板断裂的过程。
施兴华等[5]用有限元软件ABAQUS对CFRP修复含裂纹加筋板结构的极限强度进行了研究，相比含裂纹加筋板，使用CFRP修复含裂纹加筋板的极限强度有明显提高。
在CFRP修复含裂纹加筋板达到极限强度之前，胶粘界面未发生脱胶行为。
穆志韬等[6]进行了飞机金属结构复合材料修复研究，修复后裂纹板的极限承载能力大幅增加。
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研究与开发合成纤维工业ꎬ２０１９ꎬ４２(２):１６ＣＨＩＮＡ㊀ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ㊀ＦＩＢＥＲ㊀ＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀收稿日期:２０１８￣１０￣０２ꎻ修改稿收到日期:２０１９￣０１￣２５ꎮ作者简介:张华伟(１９８３ )ꎬ男ꎬ讲师ꎬ主要从事纤维增强复合材料的研究与教学工作ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇｈｗ＠ｎｅｕｑ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ基金项目:国家自然科学基金项目(５１４７５０８６)ꎻ河北省自然科学基金项目(Ｅ２０１６５０１１１８)ꎻ中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(Ｎ１７２３０４０３６)ꎻ河北省高等学校科学技术研究重点项目(ＺＤ２０１７３１５)ꎮ㊀∗通信联系人ꎮＥ￣ｍａｉｌ:２４７３２８２１０＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真张华伟ꎬ李博宏∗(东北大学秦皇岛分校控制工程学院ꎬ河北秦皇岛０６６０００)摘㊀要:基于ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件对碳纤维增强聚醚醚酮(ＰＥＥＫ)复合材料板的热冲压成形工艺进行模拟ꎬ分析了复合材料在热冲压过程中的受力及变形特性ꎬ探讨了纤维铺层夹角㊁复合材料板层数和复合层类型对其成形性能的影响ꎮ结果表明:可以利用复合材料的工程常数建立材料的本构模型ꎻ在复合层类型的选择中ꎬ 三维实体￣连续壳 更符合实际情况ꎬ仿真效果更好ꎻ复合材料的纤维铺层夹角是其热冲压成形的主要影响因素ꎬ而且同其他的纤维铺层夹角(０ʎꎬ３０ʎꎬ４５ʎ)相比ꎬ复合材料在铺层夹角为９０ʎ时热冲压受力较好ꎬ但应变也较大ꎬ容易发生破坏ꎻ当总厚度一定时ꎬ复合材料板层数对材料的受力无明显影响ꎻ选择复合层类型为连续壳㊁９０ʎ夹角的复合材料板建立热冲压模型ꎬ仿真效果最好ꎮ关键词:碳纤维㊀复合材料㊀热冲压成形㊀有限元模型㊀模拟仿真中图分类号:ＴＱ３４２＋.７４㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００１￣００４２(２０１９)０２￣００１６￣０５㊀㊀复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料ꎮ通常来说ꎬ复合材料除了具有其组合材料的原始性能之外ꎬ还会产生一些原来组分材料所没有的新的性能ꎬ从而使得复合材料在强度㊁刚度㊁热力学等性能上有了一定幅度的改善[１]ꎮ碳纤维增强树脂基复合材料具有较高的强度ꎬ相对比金属材料来说ꎬ更加耐腐蚀㊁绝缘性好㊁制作方式简单ꎮ而且ꎬ碳纤维复合材料的密度小㊁比强度高ꎬ具有较好的轻量化效果和抗冲击性能ꎮ但这种材料也有其不足之处:材料各向异性严重㊁常温下成形性能差㊁生产成本较高等ꎮ张琦等[２]研究了碳纤维复合材料板的非等温模具热冲压ꎬ并以实验与有限元仿真结合的方式对纤维编织复合材料进行了分析ꎮ堵同亮等[３]建立了碳纤维编织复合材料的超弹性本构模型ꎬ研究了碳纤维编织复合材料在冲压成形带有双曲率曲面的结构件时的纤维重新排布和重新取向ꎮ但这些研究多数是以细观力学的分析方法来对复合材料冲压工艺仿真建模ꎬ对于从宏观的角度利用工程常数建模仿真的研究还相对较少[４－８]ꎮＡＢＡＱＵＳ软件是一款功能强大的有限元分析软件ꎮ在工程应用方面ꎬＡＢＡＱＵＳ基于丰富的单元库ꎬ可以用于模拟绝大多数的常见工程材料ꎬ如金属㊁聚合物㊁复合材料㊁橡胶等ꎮ作者利用ＡＢＡＱＵＳ软件对碳纤维复合材料板的宏观力学行为进行了研究ꎬ建立了碳纤维复合材料板在高温状态下的本构模型ꎬ在此基础上构建了碳纤维复合材料热冲压成形的有限元模型ꎬ完成了成形过程的有限元仿真ꎬ对比了不同的复合层类型㊁铺层角度㊁铺层层数对碳纤维复合材料板热冲压成形的影响ꎬ研究结果对于碳纤维复合材料零件在汽车轻量化上的应用[９]具有一定的指导意义ꎮ１㊀实验１.１㊀原材料连续碳纤维:牌号为Ｔ１１００Ｇꎬ日本东丽公司生产ꎻ聚醚醚酮(ＰＥＥＫ)树脂:牌号为ＫＴ￣８２０ＮＬꎬ熔点３４０ħꎬ索尔维集团产ꎮ１.２㊀碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料的制备对于碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料ꎬ工业上常采用热压法进行制备ꎮ其主要工艺流程为:首先将碳纤维和预处理过的ＰＥＥＫ薄膜交替铺层在清洗干净的模具中ꎬ然后将模具放入已经预热一段时间的平板硫化机内ꎬ将温度提升到一特定温度ꎬ同时加压至设定的压力ꎬ保压一段时间ꎮ待到温度自然冷却至ＰＥＥＫ树脂的玻璃化转变温度以下ꎬ完成脱模ꎬ则可以得到碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料板[１０－１１]ꎮ设置参数:热压温度３９５ħꎬ热压压力２.５ＭＰａꎮ１.３㊀复合材料板工程常数的拟定对于仿真建模来说ꎬ此处可以利用复合材料的工程常数来建立碳纤维复合材料板的本构模型ꎬ即从细观力学入手设置参数ꎬ最后结合宏观力学的方法来进行仿真模拟分析ꎮ复合材料工程弹性常数共有９个ꎬ即该材料的三个方向上的弹性模量(Ｅ１ꎬＥ２ꎬＥ３)㊁三个方向上的泊松比(ｖ１２ꎬｖ１３ꎬｖ２３)和三个方向上的剪切模量(Ｇ１２ꎬＧ１３ꎬＧ２３)ꎮ其中Ｅ１为主方向上的弹性模量ꎬ即本材料中的连续纤维方向ꎮ通过相关文献可以查得常温下碳纤维复合材料的Ｅ１为１５０~４５０ＧＰａ[１２]ꎮ横截面积为Ａꎬ连续纤维与基体的横截面积分别为ＡｆꎬＡｍꎬ于是有:σ１Ａ＝σｆＡｆ＋σｍＡｍ(１)式中:σ１为主方向上的应力ꎻσｆ为连续纤维截面应力ꎻσｍ为基体的应力ꎮ考虑到应力与模量的关系ꎬ则有:Ｅ１＝ＥｆＡｆＡ＋ＥｍＡｍＡ(２)式中:Ｅｆ为连续纤维截面的弹性模量ꎻＥｍ为基体的弹性模量ꎮ其他工程常数可选用ＰＥＥＫ材料的基本参数[１３－１５]ꎮ因此ꎬ拟定采用的复合材料工程常数如表１所示ꎮ表１㊀碳纤维增强复合板材工程常数Ｔａｂ.１㊀Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅ项目参数Ｅ１/ＭＰａ３２８００.０Ｅ２/ＭＰａ４８.３Ｅ３/ＭＰａ４８.３ｖ１２０.４ｖ１３０.４ｖ２３０.４Ｇ１２/ＭＰａ１１.４Ｇ１３/ＭＰａ１１.４Ｇ２３/ＭＰａ１１.４１.４㊀基于ＡＢＡＱＵＳ的冲压成形仿真建模方案在ＡＢＡＱＵＳ中进行几何建模ꎬ建立半球冲压仿真的模型ꎬ设定Ｚ方向为冲压方向ꎮ将冲头㊁压边框以及下模视为刚体ꎮ进行网格划分时ꎬ对于碳纤维复合材料板ꎬ选择了常规壳和连续壳两种复合层类型ꎬ其网格单元选择Ｓｈｅｌｌ中的Ｓ４Ｒ(常规壳)和ＣｏｎｔｉｎｕｕｍＳｈｅｌ１中的ＳＣ８Ｒ(连续壳)单元类型[１６－１９]ꎬ其余部件如冲头等采取仿真分析中常用的Ｃ３Ｄ１０Ｍ单元类型ꎮ为了保证精度ꎬ板材采用细化网格ꎬ同时为了提高运算效率ꎬ对冲头㊁压边框和下模采用粗网格划分ꎬ如图１ꎮ图１㊀热冲压模型示意Ｆｉｇ.１㊀Ｓｋｅｔｃｈｏｆｓｔａｍｐｉｎｇｍｏｄｅｌ㊀㊀设定碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料板处于２００ħ适宜冲压的状态ꎬ选用实验试件为厚度０.３ｍｍꎬ边长为５００ｍｍ的正方形材料板ꎬ用于成形热冲压深度为１００ｍｍ的半球形拉伸件ꎮ复合层纤维铺层夹角选取４种方式ꎬ即０ʎ㊁间隔３０ʎ㊁间隔４５ʎ( 米 字型铺层)与９０ʎ( 十 字型铺层)排布ꎮ复合层的层数与每层厚度由被冲压材料板的总厚度确定ꎬ即总厚度不变ꎬ单层材料厚度与层数成反比ꎮ冲压板总厚度为０.３ｍｍꎬ复合层层数设置为６ꎬ８ꎬ１２ꎬ２０ꎬ３０层５个等级ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀复合层的类型选择对仿真结果的影响针对复合层类型ꎬ进行了两种建模方式ꎬ即常规壳￣三维壳单元建模和连续壳￣三维实体单元建模ꎬ其应力云图分别见图２㊁图３ꎮ图２㊀４５ʎ复合层类型的应力云图对比Ｆｉｇ.２㊀Ｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｔｙｐｅｏｆ４５ʎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｙｅｒ７１第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张华伟等.基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真图３㊀９０ʎ复合层类型的应力云图对比Ｆｉｇ.３㊀Ｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｔｙｐｅｏｆ９０ʎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｙｅｒ㊀㊀从两种建模方式的应力云图对比分析可以看出来ꎬ使用常规壳￣三维壳单元来进行建模的时候ꎬ与连续壳￣三维实体单元的应力数据几乎没有区别ꎬ但显示效果并没有连续壳￣三维实体单元的显示效果好ꎮ由此可知ꎬ在进行复合层建模的时候ꎬ常规壳对于碳纤维增强复合材料的连续性的因素影响没有连续壳好ꎬ应力分析是按照常规材料的应力计算方式进行的ꎬ所以在某些位置会出现没有任何过度的应力突变的情况ꎮ当改成连续壳￣三维实体单元建模的时候ꎬ由于考虑到了碳纤维复合材料的特性ꎬ在ＡＢＡＱＵＳ中有不同的计算方式ꎬ使得对于材料板的应力计算过度更加平滑ꎬ因此也不会出现类似于常规壳的那种应力突变点ꎮ因此ꎬ后文中复合层板间铺层夹角与板间层数的讨论均在建模类型为 连续壳￣三维实体单元 的基础上进行ꎮ２.２㊀复合材料的铺层夹角对冲压受力的影响碳纤维复合材料的主要受力元素是碳纤维ꎬ基体在受力过程中起到传递载荷的作用ꎮ碳纤维复合材料板冲压工艺主要受材料拉应力性能指标的影响ꎬ即可以通过分析比较最大拉应力来判断碳纤维受力情况ꎮ同时为了进一步探究复合材料层间夹角排布对其热冲压性能的影响ꎬ还设置了一组不同复合材料板层间夹角的真实应变对比ꎮ实验中以１２层复合材料板为例ꎬ其应力云图见图４ꎬ其应变云图见图５ꎮ结合图４ꎬ图５和表２ꎬ表３可分析出ꎬ当其他条件相同ꎬ当碳纤维复合材料板层间夹角不同的时候ꎬ其受到的冲压应力与应变是不同的ꎮ当层间夹角为９０ʎ叠层时ꎬ其碳纤维排列结构简单ꎬ层间滑移大ꎬ剪切柔度高ꎬ所以纤维夹角的可转角度也很大ꎻ当层间夹角为３０ʎ间隔与４５ʎ间隔分布时ꎬ由于纤维排布较为复杂ꎬ多个方向角都有限制截面剪切的纤维阻力ꎬ所以剪切柔度小ꎬ导致冲压深度相同的情况下ꎬ其纤维转角较小ꎬ即产生较大的应力ꎮ同时可观察得到ꎬ在层间夹角为３０ʎ或４５ʎ排布的时候ꎬ由于碳纤维材料在板材的几何中心排布最为密集ꎬ理论上在几何中心的受力应该是最大的ꎬ其次才是下模与板材接触的区域ꎬ即云图显示其主要受力区域在板材与冲头接触的中心位置ꎻ而间隔９０ʎ排布则不同ꎬ碳纤维在几何分布上是均匀的ꎬ不会出现某一区域的受力性能明显高于其他区域的情况ꎬ所以其主要受力区域为下模与板材的接触位置[２０－２２]ꎮ不难看出ꎬ无论对复合板中的纤维层夹角如何排布ꎬ都无法消除复合板冲压过程中的各向异性ꎮ图４㊀不同层间夹角的１２层复合材料板应力云图示意Ｆｉｇ.４㊀Ｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｏｆ１２￣ｌａｙｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓ图５㊀不同层间夹角的１２层复合材料板应变云图示意Ｆｉｇ.５㊀Ｓｔｒａｉｎｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｏｆ１２￣ｌａｙｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓ８１㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年第４２卷表２㊀不同层间夹角及层数的复合材料板的冲压应力Ｔａｂ.２㊀Ｓｔａｍｐｉｎｇｓｔｒｅｓｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｐｌａｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓ层间夹角/(ʎ)冲击应力/ＭＰａ６层８层１２层２０层３０层０１０３.７１０６.１１１０.３８９.４８９.１３０８７２.４８７４.８９２０.２９９８.９９２３.６４５９０８.１９４９.０９３４.９９８２.９９６７.３９０１７０.３１０１.１１０８.５１１５.７１１４.６表３㊀不同层间夹角及层数的复合材料板的冲压应变Ｔａｂ.３㊀Ｓｔａｍｐｉｎｇｓｔｒａｉｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｐｌａｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓａｎｄｌａｙｅｒｎｕｍｂｅｒｓ层间夹角/(ʎ)冲压应变６层８层１２层２０层３０层００.０９９２０.１００２０.１０１２０.０９９９０.０９９４３００.０６４２０.０３５９０.０３０００.０３１９０.０２９３４５０.０４２５０.０３０４０.０２９９０.０３０１０.０２９９９００.１００９０.１００２０.１０１５０.１０２５０.１０３４㊀㊀对比０ʎꎬ３０ʎꎬ４５ʎꎬ９０ʎ层间夹角的４种不同纤维排布方式的应变云图可以看出ꎬ 十 字型排布方式的应变与 米 字形排布方式的应变有着本质的区别ꎬ即其发生应变的区域完全不同ꎬ而其应变的大小也是差别很大ꎬ９０ʎ铺层的复合材料应变较大ꎬ达到了１０％的形变程度ꎻ而４５ʎ与３０ʎ铺层的复合材料应变较小ꎬ仅有３％的形变ꎮ这些现象都说明了复合材料板的不同板间夹角排布会给冲压工艺带来不同的受力情况ꎬ随着其层间夹角排布的不同ꎬ其纤维层之间剪切转动方式㊁复合材料板的宏观力学性能等均会产生较大的差异[２２]ꎮ一般说来ꎬ９０ʎ夹角的排布方式时其冲压受力与成形性能要好于另外两种ꎮ但这种排布方式伴随而来的是较大的应变幅度ꎬ这也意味着这种排布方式较另外两种来说更容易产生受力破坏[２３]ꎮ这个结论符合碳纤维复合材料的力学成形原理ꎮ除了这四种为工程上常用的铺层方式以外ꎬ本文还进行了单层０ʎ夹角的复合材料板的热冲压仿真ꎮ最后的现象也合理地解释了复合材料板冲压成形的原理ꎬ即当碳纤维受力后ꎬ其纤维方向上几乎没有拉伸形变ꎬ而是产生位移ꎮ所以在宏观上ꎬ板材显示出来的就是纤维方向上的板材的 收束 形变ꎮ２.３㊀复合材料的板间层数对冲压工艺的影响本研究设置了５组铺层层数ꎬ设定总厚度一定ꎬ即铺层层数越多ꎬ每一铺层就越薄ꎮ此处拟定最大铺层数为３０ꎬ当铺层数超过３０的时候ꎬ每一层的厚度均降至０.０１ｍｍ以下ꎬ已经不符合常规的生产要求ꎮ同时ꎬ由于本研究主要讨论的是碳纤维复合材料的纤维排布方向与复合材料板间层数对热冲压的影响ꎬ所以对各方向纤维占比受力的影响并未给予考虑ꎮ由１２层复合材料板冲压应力云图(图４)及表２㊁表３分析可知ꎬ当总厚度一定时ꎬ板间层数相对于铺层方式来说ꎬ对冲压性能的影响不大ꎮ其中细微差别可以通过纵向对比来发现:冲压过程中的应力一般随着板间铺层的层数上升而上升ꎮ其主要原理是由于铺层层数变多ꎬ板料的稳定性也会越来越好ꎬ而且由于层数增多ꎬ使得其总层间摩擦力增大ꎬ这也会对冲压受力的情况带来一定的影响ꎮ所以在相同的冲压位移的情况下ꎬ其受力变得更高ꎮ因此也可以认为板间层数对碳纤维增强复合材料板的冲压性能影响较小ꎬ与板间连续纤维排布角度相比ꎬ板间层数的影响可以忽略不记ꎮ同时ꎬ因为复合材料板板件的厚度对板材的力学性能有很大的影响ꎬ所以相比于复合材料板间的复合层层数ꎬ复合材料板的厚度对于热冲压的性能影响更大ꎮ３㊀结论ａ.以ＡＢＡＱＵＳ为建模工具ꎬ利用工程常数建模同宏观力学结合的方法构建了碳纤维复合材料高温本构模型ꎮｂ.在选择复合层类型的时候ꎬ 连续壳 类型的仿真效果要明显好于常规壳ꎬ更加符合实际的受力情况ꎮｃ.碳纤维增强复合材料的热冲压性能主要取决于复合板层间的夹角排布ꎬ当夹角排布的方式越松散ꎬ纤维之间剪切柔度越高ꎬ则其在高温状态下冲压受力情况就越好ꎻ反之ꎬ当夹角排布的方式越稳定ꎬ则其在高温状态下的冲压受力情况就越差ꎮ其中综合看来是９０ʎ夹角排布时冲压受力较好ꎮｄ.在同样的温度和夹角排布的情况下ꎬ碳纤维增强复合材料板的板间层数对于冲压受力性能的影响不大ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀沈观林ꎬ胡更开ꎬ刘彬.复合材料力学[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２０１３:４－２０.９１第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张华伟等.基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真[２]㊀张琦ꎬ高强ꎬ赵升吨.碳纤维复合材料板热冲压成形试验研究[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１２ꎬ４８(１８):７２－７４. 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