复合材料加筋板屈曲后屈曲分析流程

ABAQUS模拟流程

2009-9-29

目录

1.综述

2.分析对象介绍

2.1 实验介绍

2.1.1实验试件

2.1.2实验结果

3.数值模拟过程详述

3.1分析方法

3.2 材料属性定义

3.3 截面属性

3.4 屈曲分析

3.5 单元和载荷

3.6 创建Job

3.7 Riks分析

4.计算结果

4.1屈曲模拟结果

4.2Riks后屈曲极限载荷分析结果

1.综述

本人硕士阶段的任务是模拟复合材料船体梁的极限强度分析，其中最基本的内容是对复合材料加筋板的屈曲后屈曲分析以得到加筋板崩溃下的应力应变曲线，以对后期研究做铺垫。考虑到复合材料加筋板材料的复杂性，现阶段对复合材料加筋板的极限强度和应力应变关系还没有一个像钢船那样简化的分析经验公式等简化方法。为了能够在这种情况下得到船体梁极限强度，对于船体梁基本类型的加筋板，考虑进行非线性有限元分析以得到应力应变关系，之后通过对各加筋板的应力应变关系后处理得到复合材料中舱段的极限强度。基于此，下面对某复合材料加筋板的应力应变关系进行详细分析和讨论。其中有所错误和不足，请各位参阅者给予批评和指教，作者在此深表谢意。

2.分析对象介绍

2.1试验介绍

为了考虑分析的合理性和有效性，本文对1998年韩国Cheol-Won Kong等人做的复合材料加筋板的极限承载试验进行分析以作对比。试验结果如下所示，具体参见附录[1]。

2.1.1实验试件

试验中对三种试件进行了实验，分别是Blade型,I 型1类（cap 10mm）,I型2类(cap 20mm)。具体几何尺寸如下图所示。

图1 试验试件几何尺寸图

2.1.2实验结果

试验中测量了屈曲和后屈曲的整个试件变形情况，在这里我们关心的是加筋板的极限强

度和相应端缩位移，因此在这里列出了实验获得的加筋板的极限强度和端缩位移结果。

表1 试验结果极限载荷值

EA(MN) P cr(kN) P ul(kN) P ul/P cr Panel Cap

width(mm)

S1 0 13.19

5.48

4.89 26.80

4.40

9.08 39.93

S2 10 16.45

S3 20 18.10

7.02

8.74 61.40

S1：Blade型加筋模式

S2：I型加筋模式（cap 10mm）

S3:

I型加筋模式（cap 20mm）

P cr: 屈曲载荷

P ul：后屈曲极限压缩载荷

EA:轴向拉伸刚度

试验结果测量的短缩位移如下图所示：

图2 试件载荷-端缩曲线

从上图可知，对于试件S1,在极限载荷时对应的端缩位移为1.0mm左右。

3.数值模拟过程详述

由于本人初次做复合材料的加筋板的屈曲后屈曲分析，模拟的过程中可能有很多问题和不足，为了让大家对我的模拟有详细的了解，我再此将模拟过程做一个详细的叙述，以期待各位的批评和指正。

3.1分析方法

为了提高分析效率，本文首先选择了ABAQUS中已有的材料破坏准则和破坏发展方法进行分析。具体的材料破坏和刚度折减准则为Hashin准则[2]。Damage Evolution设置为：纤维方向拉伸和压缩破坏能量为12.5N/mm，横向拉伸压缩破坏能量1.0N/mm。

3.2材料属性定义

加筋板材料特性及强度标准和Kong等人实验用材料属性一致，如下所示：

表2 材料属性表

名称符号数值材料1方向的弹性模量E1130.0GPa

材料2,3方向的弹性模量E2,E310.0GPa

12和13方向的剪切模量G12,G13 4.85GPa 23方向的剪切模量G23 3.62GPa 泊松比μ12，μ130.31

泊松比μ230.52 材料1方向拉伸强度X T 1.933GPa

材料2方向压缩强度X C 1.051GPa

材料1方向拉伸强度Y T51MPa

材料2方向压缩强度Y C141MPa 剪切强度S 61MPa

3.3截面属性

加筋板由加筋和面板两部分组成，面板部分铺层方式为：[0/90/45/0/-45]s，层数为10；加筋的铺层方式为：[0/90/±45]s，层数为8。具体铺层情况如下图所示：

面板 加筋板

图3 面板及加筋板的铺层方式示意图

3.4 屈曲分析

为了进行后屈曲分析及极限崩溃分析，需要首先进行屈曲分析以获得几阶屈曲模态进而在后屈曲分析中引入基于模态变形的几何初始缺陷。在这里我们对前5阶的屈曲模态进行分析，设置分析步为STEP=LINEAR PERTUBATIO N →BUCKLE,求解方式选择SUBSPACE 子空间迭代法，NUMBER OF EIGENV ALUE REQUSTED=5,如右图所示。 3.5 单元和载荷

根据实验实际情况，并考虑到模型的对称性和计算的时效性，建立1/4模型进行计算分

析。单元种子大小取为10mm 左右，可以较好

的模拟。载荷条件在模型中线处设为轴向的压力，用线载荷加载，大小为5000N/mm ；端部夹持区域设为固支。最后效果如下图所示。 图4 屈曲分析步设置

3.6 创建Job

基于以上模型，首先进行屈曲模态分析，创建Buckling 分析，并在EDIT KEYWORDS 中进行修改，在*RESTART 后面添加

*NODE FILE U,

图5 载荷边界示意图

以对模态位移进行输出。 3.7 Riks 分析

在进行了以上模态分析过后，可以进行Riks 分析以获得加筋板的极限承载能力。模型各项数据与BUCKLING 分析中的相同，只需