1、 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)
2、 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
3、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
4、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
5、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）C
6、ohesive 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
7、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
8、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（平坦模式预测）。 另外，CMA使复合材料结构的分析、设计和制造完美的结合在一起。使用CMA，可以将Abaqus/CAE创建的模型可以直接倒入到CATIA V
9、5中进行细节设计，也可以将CATIA CPD中设计的复合材料模型以及铺层导入到Abaqus/CAE中。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。 CMA的优势： 1 与制造过程直接相类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顺序。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同； 5 通过复合材料模块的树状结构，可以方便查看复合材料的铺层模型； 6 CMA仿真提供平面和立体裁片型结果准确查看铺设属性，检查铺层的
10、可制造性； 7 在CMA模块中，Ply Layup模型向单元属性的转换非常方便允许对铺层模型的快速改变，并继续进行随后的分析；允许应用立体裁剪引发的纤维空间角度；全局的铺层辨识使得可以铺层为单位查看结果。 总之：CMA使得对复合材料模型的生成、修改和表示更加简单。 4.3 Abaqus中复合材料的高级分析技术 4.3.1 纤维增强复合材料的渐进损伤（Hashins 损伤理论） 材料失效涉及到由材料刚度渐进退化导致的失去承载能力。用损伤力学模拟刚度退化，使用平面应力单元模拟，并考虑四种不同的失效模式: 1）纤维拉伸开裂； 2）纤维屈曲和压缩失效； 3）基体拉伸和剪切开裂； 4）基体拉伸和剪切碾压
11、。 渐进损伤中典型材料响应 复合材料的损伤模型主要是Hashin s损伤模型，可以包括纤维的压缩和拉伸失效、基体的压缩和拉伸失效。应用Hashin s损伤模型可以模拟不可见的冲击损伤 (BVID)，从而可以预测受冲击后结构的残余损失以及冲击力的大小。 冲击力的预测 损伤区域 4.3.2 失效理论 失效准则可以分成两类：独立式和交互式（或多项式）。前者应用起来简单，可以给出失效模式，但是忽略了失效机理中应力之间的相互影响。后者考虑了失效机理中应力之间的相互影响，但是并不给出失效模式。 Abaqus中的复合材料失效准则主要有： MSTRS 最大应力理论失效准则 TSAIH Tsai-Hill理论失
12、效准则 TSAIW Tsai-Wu理论失效准则 AZZIT Azzi-Tsai-Hill理论失效准则 MSTRIN 最大应变理论失效准则 Distribution of material damage at maximum load 4.3.3 Abaqus/Explicit模拟复合材料冲击 Abaqus的损伤模型只能用于具有平面应力形式的单元：平面应力，膜和壳单元，而用户自定义材料子程序可以将该功能扩展到其他应力状态的单元（3D）。 Abaqus的复合材料损伤VUMAT，包含两个可用程序： 1）单向纤维VUMAT（扩展内置功能以致可以包含3D） 2）织物VUMAT 单向纤维VUMAT 初始假
13、设是弹性应力/应变关系为正交各向异性损伤弹性，损伤理论采用3维Hashin准则。 对于该子程序，必须指定1 9个用户材料常数：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。 编制复合材料VUMAT 该VUMAT假设纤维之间都是相互垂直的（不存在褶皱），采用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。织物加强铺层被模拟为均一的正交各向异性弹性材料，纤维和基体开裂能导致发生渐进
14、刚度退化，由剪切载荷能引发塑性变形。 Abaqus内置了该用户子程序，对于该子程序，必须指定24个用户材料常数： 纤维1方向和2方向的弹性模量：E1+/-, E泊松比：n2+/-12+, n剪切模量：G12-1+/-, G 剪切强度：S 2+/-拉伸和压缩强度：X1+/-, X剪切平衡参数：a2+/-12, d12max CZone 冲击时吸收能量的可压碎结构被用于：汽车、直升机、飞机、火车及其它运输工具当中，这种能量吸收结构能保护内部人员或者货物受冲击时免于受伤与强烈震动。相比于沉重的采用金属的设计，复合材料由于具有能提供轻质可修复结构吸收能量的能力，因而具有很大潜力。 目前没有商业方法能精
15、确模拟或者预测这种结构的压碎特性。这些结构的模拟仿真将考虑到具有效益的发展和这种可压碎复合材料结构的设计，以达到需要的性能参数。精确模拟复合结构的压碎特性具有挑战性，一般来说这种压碎响应不能由传统的失效机理来描述。很难准确地用该过程中涉及到的单一某个失效机理来描述。Abaqus的CZone技术可以进行符合结构的压碎响应。这些仿真考虑到这种可压碎复合结构的有效发展以达到需要的性能参数。 Abaqus的C Zone（CZA）是Abaqus/Explicit的一个拓展，它将CZone技术与Abaqus/Explicit强大的冲击建模功能相结合。对受冲击结构的前缘的挤压区域，CZA提供直接的基于挤压的
16、单元失效分析。 CZone技术通过下面两种方式融入Abaqus/Explicit当中： 一个是CZone压碎材料定义，描述材料的压碎响应； 一个是CZone联系定义，对挤压区域内由于屈曲、剪切等引起的局部载荷进行建模 典型的Abaqus的一个CZone分析的目标：确定吸收了多少能量；峰值加速度；平均加速度；多少材料完全压碎；识别遭受其他破坏形式的区域；了解损伤的进程。 4.3.4 Abaqus中复合材料分层破坏的模拟 为了降低层合板复合材料结构的成本，考虑大结构的整体化胶接。主结构中，需要在铺层之间采用胶接传递层间载荷。损伤容限要求胶接接触面可以承受所需承受的载荷。 纤维增强复合材料有高比强度
17、、高比刚度、可设计性好等优点，但其最大的弱点是容易产生层间分层，导致结构的刚度和强度急剧下降，疲劳性能恶化。如何模拟复合材料层间破坏是需要重点考虑的问题。 Abaqus中复合材料分层破坏的模拟有两种方式：VCCT（虚拟裂纹闭合技术）和Cohesive技术。 虚拟裂纹闭合技术（VCCT） 用于Abaqus技术的VCCT是由Composite Affordability Initiative (CAI)中的Boeing Commercial Aircraft Group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材料的分析长达数十年之久。而Abaqus将VCCT这种技术内嵌于Aba
18、qus/standard中，用于有效地分析复合材料结构的断裂和分层问题。 VCCT基于线弹性断裂力学的原理，通过计算不同形式裂纹尖端的能量释放率，与复合材料层间开裂的临界能量释放率相比较，来计算层间裂纹的扩展。其具有的优势为：VCCT完全与Abaqus中现有的单元、材料以及求解功能兼容，只需定义裂纹存在的界面，而无需定义裂纹扩展的方向。 使用VCCT可用用于确定复合材料结构的承载极限以及类似的典型航空复合材料结构的失效模式。 Cohesive技术 加强梁和蒙皮间的有效分层 初始开裂区域 采用cohesive单元技术或基于cohesive的接触技术，同样可以来模拟复合材料的分层破坏以及胶结接头的
19、连接。 使用牵引-分离接触行为来模拟粘性连接，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-分离本构行为的功能基本类似。然而，该方法不需要定义单元，并且粘性表面可以随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可以将接触面的厚度忽略掉的情况。分析时必须将其定义成表面交互的性质，而对于粘性表面来说，损伤是一种交互性质，而不是材料性质。粘性表面的运动学与粘单元的不同，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图，称为牵引-分离模式（Traction - Separation）。应力-应变曲线上升段代表Cohesive单元的线弹性行为，应力-应
20、变曲线下降段代表Cohesive单元的刚度衰减及失效过程。Cohesive单元的初始损伤基于应力或应变判据，而损伤扩展判据有两种，一种基于能量，另一种基于位移。 使用VCCT和Cohesive技术对比： Z-pin增强复合材料的模拟 Z-pin增强复合材料可以很好地控制复合材料的层间开裂。对于此类复合材料的模拟，可以同时使用VCCT和cohesive单元技术。复合材料的层间开裂使用VCCT技术，而Z -pin的影响使用cohesive单元模拟。 4.3.5 Abaqus中复合材料其他分析功能 复合材料后屈曲行为的模拟 许多情况下复合材料层合板的屈曲以及后屈曲行为是要重点考虑的。Abaqus /
21、Standard中Buckling和Riks分析步能够很好的模拟屈曲行为。 低周疲劳分析 在航空领域中，由近似临界周期载荷所引起的复合材料分层扩展问题受到普遍地关注。Abaqus中的低周疲劳准则可以模拟界面处的渐进分层扩展情况。该准则只能用于低周疲劳分析，并且使用直接的循环方法（*DIRECT CYCLIC, FATIGUE)。必须在模拟中指定分层（或裂纹）扩展所沿的界面，基于VCCT可以计算界面单元裂纹尖端的断裂能量释放率。 低周疲劳分析采用直接循环步骤直接获取结构的稳定循环响应。该循环步骤通过联合傅立叶级数（Fourier series）近似值和非线性材料的时间积分，使用修正的Newton
22、 method来获得稳定的循环结果。可以控制傅立叶数量条件，迭代次数和循环过程中的时间增量，以获取准确的数值结果。在每个载荷循环过程中，都假设发生几何非线性行为，约束条件为绑定接触。 DCB 模型的低周疲劳预测 包含两步： 步骤1: VCCT 分析 该步骤可以检查是否最大负载导致了静态裂纹扩展。 步骤2: 低周疲劳分析 该步骤可以评估受到近似临界周期载荷作用的DCB模型的疲劳寿命。 断裂分析（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问题的数值方法，它继承了常规有限元法的所有优点，在模拟界面、裂纹生长、复杂流体等不连续问题时特别有
23、效，最近几年得到了快速发展和应用。它和常规有限元法最根本的区别在于，它所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关，从而克服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重新剖分。 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不失时机的将XFEM商业化到求解器中，不仅分析模型的创建简单，而且功能强大。 基于XFEM方法，可以通过最大主应力准则MAXPS或最大主应变准则MAXPE的损伤初始化以及基于能量的损伤演化，进行复合材料的断裂分析；同时，还可以结合VCCT或cohesive技术考虑层间开裂分析。 此外，损伤演化准则还
24、可以基于线弹性断裂力学中的VCCT技术进行复合材料的断裂模拟。结合direct cycle分析技术，还可以进行复合材料的疲劳断裂模拟。 4.3.6 纤维缠绕复合材料 在航空航天、汽车以及石油化工行业，纤维缠绕技术已经成为制造高比刚度复合材料结构的主导方法。由于缠绕结构纤维丝的走向连续变化，如何对纤维缠绕结构进行精确的性能分析一直是个难点。为了解决这一难题，SIMULIA的研发人员开发了基于Abaqus的扩展功能，实际解决了空间不同方向纤维的建模问题。 通过基于Abaqus的纤维缠绕建模模块（WCM），用户可以创建拥有详细规范结构外形和缠绕设计参数的模型，可进行沿纤维方向应力和应变的后处理。应用
25、连续体或壳单元可创建轴对称或三位模型。可通过用户自定义界面来快速定义缠绕外形，进行几何和网格的创建。有多种方法生成缠绕基体纤维丝缠绕在其上。WCM模块允许用户定义椭圆形、球形、测地形状，或通过表建立独立点。另外，还可以通过已有的部件来创建缠绕基体的几何模型。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允许的条件下，如其几何形状具有对称性，WCM会自动创建对称的几何模型，并在对称面上生成适合边界条件的网格，从而降低了模型的尺寸。 如果一个给定的压力容器设计有两个不同的穹顶形末端（即非对称结构），首先创建两个独立的穹顶，然后将其与圆柱部分合并，从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接近穹顶的转折点时的厚度增加问题。通过插件自动划分有限元网格，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 复合材料应用 F-16复合材料水平尾翼强度分析 F-16水平尾翼采用复合材料设计方案后，需对结构特性和力学性能重新进行评估。 模型 肋和加强杆 利用Abaqus软件的复合材料功能，对F -16的水平尾翼建模。前处理直接输入复合材料的各种材料属性。可以为蒙皮、肋和加强杆直接定义复合材料。
