超详细的Abaqus复合材料基础建模步骤 |
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超详细的Abaqus复合材料基础建模步骤
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复材基础建模分类 在开始之前，先归纳总结一下Abaqus中复合材料结构的两类主要的建模方法，第一类就是本文后面要详细展开讲述的最基本的Abaqus复合材料建模方法，之前曾将其定义为“传统建模”（达索官方教程称这类建模叫Macro建模方法，为了便于跟composite layup快速建模区分开，自己就习惯叫“传统建模”或“经典建模”了，没想到后来被Victor经典案例分享公众号直接抄袭了）。这种方法是早期有限元软件常用的建模方法，延续了各向同性材料的建模思路，不同的区域创建并赋予不同的截面属性，类似Nastran，hyperworks都是这种建模思路。后来Abaqus又增加了Composite layup建模方法，效率比较高，并且这种建模思路呢，就有点跟CAD复材制图的思路很像了，比如CATIA 的CPD模块，创建一个铺层序列，然后单独去指定每一个铺层所占据的位置，相当便捷。 为了有便捷建模方法却还要将经典的建模方法呢？因为在自己开发子程序的时候，比如UMAT或者VUMAT子程序，只能采用经典建模方法，另外，还有显式分析中，当使用三维材料模型时，也只能使用这种建模方法。 一般对于大尺寸复合材料结构，跨厚度比例大，满足板壳理论的假设，采用壳单元就能获得高的求解精度。壳单元计算效率高，结合二维损伤起始判据判据（Hashin, Tsai-Wu, Maxe, Maxs等）以及损伤演化准则还可以预测结构的危险区域、危险程度、破坏模式及破坏载荷等。 本文讲述Abaqus中如何创建普通壳单元的复合材料开孔板结构有限元模型，模型中仅考虑对结构变形、应变、应力的求解，不涉及损伤起始及损伤演化部分。 以下为复合材料开孔板壳单元模型的建模步骤。 第1步：绘制几何 在Part模块下绘制几何，几何类型选择3D、Deformable、Shell，草图如下：
开孔板草图
绘制完草图后，点击鼠标中键或视图中的“Done”退出草图，得到开孔板的几何模型，如下：
 ，在弹出窗口中选择Mechanical→Elasticity→Elastic选项，在材料类型下拉框中选择Lamina。
数据列表中的6个数据分别为纵向（沿纤维方向）弹性模量E1、横向（垂直于纤维方向）弹性模量E2 （是下标）、面内泊松比Nu12以及三个方向的剪切模量G12、G13、G23。与其他商业有限元软件略有不同的是，即使是对于二维材料模型，仍然需要输入两个面外的剪切模量G13和G23，这两项数据是用于定义壳的横向剪切刚度，不可缺少。一个复合材料分析模型中可以包含多种同类材料模型，例如层压板内部采用碳纤维增强树脂基复合材料，表层可以采用玻璃纤维增强树脂基复合材料。
第3步：创建截面属性
点击创建属性按钮
 ，选择Shell→Composite类型，如下图。
 ，按照主窗口下方提示区的提示信息去选择要赋予属性的区域，当结构中有多个不同的铺层分区时，应分别选择对应的截面属性逐个设置。对于复杂曲面结构或者有多零件组成的装配体，需要通过调整壳的偏置来适应结构真实的空间位置，默认为厚度向中性面两侧对称偏置，如下图所示。
 ，有三种坐标系可以选择：直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系。可根据自己的结构特征选择合适的坐标系，针对本模型，选择直角坐标系，然后按照视图下方提示设定坐标原点、X轴方向以及XY平面。
 中的“Ply stack plot”功能查看铺层属性设置准确性。点击下图中的“Plystack plot”功能键，CAE界面中会自动生成双视图，在左侧视图中点击需要查询信息的区域，右侧视图中会直观显示实际铺层序列堆栈图以及铺层名称、铺层厚度、铺层角度等信息。
创建装配实例 创建实例有两种方式，一种是基于自身模型的Part创建，一种是基于其他模型创建，会将所选择的模型中的实例导入到当前模型下。 创建完实例之后，视图中会出现蓝色装配体。 ，左侧的为全局网格密度设置，右侧为局部网格密度设置，可以对特殊的边线或者面设置不同的网格密度。在设置网格时，如果出现以下提示，是因为创建实例时选择了Dependent类型，此类实例仅能在零件下划分网格或设置网格属性。解决办法是将网格划分的对象由“Assembly”切换到“Part”。
 去划分网格，得到下图所示的网格：
 来设置单元形状和网格生成算法，
 设置单元类型，默认的是四节点减缩积分单元S4R。
 ，复合材料结构分析中常用的分析步类型有“Static,General”和“Dynamic,Expicit”两种，本案例选择“Static,General”类型，创建一个静力通用分析步。
声明：本文首发于“复合材料力学”微信公众号，作者：君莫 |
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