Abaqus二次開發(fā)在復(fù)合材料夾芯力學(xué)性能中的應(yīng)用

朱昊，曹忠亮，邱睿，韓振華

Abaqus二次開發(fā)在復(fù)合材料夾芯力學(xué)性能中的應(yīng)用

朱昊，曹忠亮，邱睿，韓振華

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

復(fù)合材料夾芯板兼?zhèn)漭p量化、多功能化等優(yōu)點是很有前景的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。針對復(fù)合材料夾芯板有限元模型建模復(fù)雜，新的芯子結(jié)構(gòu)進(jìn)行新的二次開發(fā)導(dǎo)致建模效率低下的問題，基于Python語言對Abaqus的前處理模塊進(jìn)行二次開發(fā)，建立參數(shù)化建模的交互式界面，構(gòu)建適用于任意芯子的復(fù)合材料夾芯板力學(xué)仿真模型，達(dá)到芯子結(jié)構(gòu)設(shè)計與其力學(xué)性能分析快速響應(yīng)的目的。通過算例對格柵夾芯板、點陣夾芯板兩種典型的夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析，驗證二次開發(fā)的可行性。

復(fù)合材料；夾芯板；Python語言；Abaqus二次開發(fā)；力學(xué)仿真

復(fù)合材料夾芯板通常使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為面板材料，采用輕金屬或復(fù)合材料進(jìn)行芯子制備，耐腐蝕性和抗疲勞性較好，維護(hù)成本低，兼?zhèn)漭p量化、多功能化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-3]，如火箭的上級間段、適配器、下級間段，衛(wèi)星的中心筒、吊桿，衛(wèi)星平臺[4]，C919機(jī)身壁板、垂直尾翼壁板等，都采用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輕量化，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造逐漸成為近年來研究的熱點。

夾芯板設(shè)計與制造方法研究的目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)不會出現(xiàn)故障，預(yù)測夾芯板的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，對其進(jìn)行力學(xué)性能分析至關(guān)重要。夾芯板的面板常為層合板，是沖擊載荷的主要承擔(dān)部件，作為支撐夾芯板的芯子為壓縮載荷的主要承擔(dān)部件，近年來，學(xué)者對復(fù)合材料夾芯板進(jìn)行了沖擊和壓縮力學(xué)性能分析，并探究了它的力學(xué)仿真模型建模方式。胡建華等[5]對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，達(dá)成了高效導(dǎo)出機(jī)翼壁板的CAD數(shù)模和獲取初始毛胚的目標(biāo)。趙遼翔等[6]基于Abaqus開發(fā)研究了蜂窩夾芯板GUI建模程序，極大地提高了蜂窩板材有限元模型的創(chuàng)建速度。董明軍等[7]使用Python語言進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建了變剛度層合板有限元模型，達(dá)到了自動采集目標(biāo)數(shù)據(jù)的目的。陳芳育等[8]實現(xiàn)了Abaqus二次開發(fā)在復(fù)合材料層合板沖擊建模中的應(yīng)用，簡化了建模過程，節(jié)省了模型處理時間。?ZEN等[9]采用實驗和數(shù)值仿真的方法研究了熱塑性復(fù)合材料蜂窩和凹角型芯夾芯板的低能沖擊響應(yīng)。ZHANG[10]等對管增強(qiáng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的落錘沖擊響應(yīng)進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究，結(jié)果表明，管狀填料的加入提高了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剛度和峰值載荷。張亞文等[11]用仿真的方法探究了格柵-蜂窩混式芯體夾芯結(jié)構(gòu)的低速沖擊性能，發(fā)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)有良好的低速沖擊阻抗。ZHANG等[12]對仿生夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論和仿真屈曲分析，開發(fā)了一種新的夾芯板屈曲分析方法。李響等[13]構(gòu)建蜂窩夾芯板的壓縮力學(xué)模型和仿真模型，研究了胞元和面板參數(shù)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。劉玥等[14]對不同高度的Nomex蜂窩夾芯板的壓縮失效機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)測組中6mm蜂窩高度的夾芯結(jié)構(gòu)吸能特性最好。

目前，還沒有針對不同芯子的復(fù)合材料夾芯板力學(xué)仿真模型的二次開發(fā)，而復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型建模較為復(fù)雜，設(shè)計新的芯子結(jié)構(gòu)時進(jìn)行新的二次開發(fā)導(dǎo)致建模效率低下，且易出錯。為此，本文基于Python語言對Abaqus進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)了復(fù)合材料面板快速建模、夾芯板的面板與芯子自動裝配、復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的低速與高速沖擊仿真及壓縮仿真模型高效建立的程序，創(chuàng)建了可視化的人機(jī)交互式界面，以達(dá)到芯子結(jié)構(gòu)設(shè)計與其力學(xué)性能分析快速響應(yīng)的目的，實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的設(shè)計功能，最后通過算例對格柵夾芯板、點陣夾芯板兩種典型的夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析，驗證二次開發(fā)的可行性。

1 復(fù)合材料夾芯板力學(xué)仿真模型的二次開發(fā)

復(fù)合材料夾芯板的力學(xué)性能分析對于設(shè)計和制造輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，而夾芯板的力學(xué)響應(yīng)受其尺寸參數(shù)和材料性能的影響很大，實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的設(shè)計功能，關(guān)鍵在于找到芯子結(jié)構(gòu)設(shè)計與其力學(xué)性能分析快速響應(yīng)的方法，借助二次開發(fā)程序可以實現(xiàn)復(fù)合材料夾芯板力學(xué)仿真模型的快速建立，達(dá)成目的。

1.1 開發(fā)Python可視化建模界面

對于復(fù)合材料力學(xué)仿真模型快速建立系統(tǒng)，其圖形界面程序執(zhí)行流程主要包含以下步驟：

（1）plugin插件注冊模塊將嵌入式窗口程序在Abaqus中聲明，DB圖形窗口設(shè)計模塊將用戶輸入的參數(shù)進(jìn)行前端可視化，在接收到用戶輸入的參數(shù)后，內(nèi)核執(zhí)行程序驅(qū)動Abaqus 內(nèi)核執(zhí)行內(nèi)部命令，開始進(jìn)行復(fù)合材料夾芯板力學(xué)仿真模型的建立；

（2）創(chuàng)建復(fù)合材料層合板模型，獲取其尺寸參數(shù)信息，實體面板分層，定義面板層的材料屬性和鋪層角度，根據(jù)需要在層合板任意層間插入Cohesive單元；

（3）創(chuàng)建芯子模型，選擇是否打開自建芯子模型，如選擇Open Model，并導(dǎo)入芯子模型，建立夾芯板模型，如不導(dǎo)入芯子模型，即不打開任何模型，只建立層合板模型，建模結(jié)束；不選擇Open Model，在參數(shù)欄中輸入芯子結(jié)構(gòu)參數(shù)、鋪層信息及網(wǎng)格尺寸大小，建立插件自帶的復(fù)合材料夾芯板模型；

（4）建立復(fù)合材料夾芯板沖擊仿真模型，選擇是否創(chuàng)建沖擊仿真模型，如選擇建立該仿真模型，同時沒有選擇建立壓縮仿真模型，輸入仿真參數(shù)，根據(jù)需要調(diào)用復(fù)合材料漸近損傷子程序，建立沖擊仿真模型；

（5）建立復(fù)合材料夾芯板壓縮仿真模型，選擇是否創(chuàng)建壓縮仿真模型，如選擇建立該仿真模型，同時沒有選擇建立沖擊仿真模型，輸入仿真參數(shù)，根據(jù)需要調(diào)用復(fù)合材料漸近損傷子程序，建立壓縮仿真模型；

（6）不創(chuàng)建沖擊或壓縮仿真模型，返回步驟（3），建立復(fù)合材料夾芯板模型或復(fù)合材料層合板模型。

具體程序執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 圖形界面程序執(zhí)行流程

復(fù)合材料力學(xué)仿真模型快速建立系統(tǒng)主要分為4個模塊：復(fù)合材料層合板模型建立、復(fù)合材料芯子模型建立、沖擊力學(xué)性能仿真模型建立、壓縮力學(xué)性能仿真模型建立，其部分可視化界面如圖2所示。

1.2 前處理思路和程序代碼

前處理過程分為以下步驟：

圖2 復(fù)合材料力學(xué)仿真模型快速建立系統(tǒng)可視化界面

第三步：選擇建立沖擊力學(xué)性能仿真模型，如圖3所示。在上、下面板中間加入剛度大的支撐墊塊，下夾具、支撐墊塊約束其全部自由度，賦予沖頭參考點初速度，上夾具、沖頭約束除沖擊方向移動的其余自由度，上夾具的上表面施加均布壓力，選擇將很小變形的沖頭、氣動卡具、支撐墊塊定義為離散剛體，指派單元類型為R3D4，同時采用通用接觸、面對面接觸來防止不合理的穿透現(xiàn)象，切向方向接觸考慮摩擦力，法向方向接觸定義為硬接觸。

第四步：選擇建立壓縮力學(xué)性能仿真模型，如圖4所示。給予上壓盤的參考點壓縮速度，約束其除壓縮方向移動的其余自由度，下壓盤完全約束，可選擇將變形很小的上、下壓盤定義為離散剛體，指派單元類型為R3D4，壓盤和夾芯結(jié)構(gòu)之間的接觸通過顯式分析里面的通用接觸來定義，法向之間接觸認(rèn)為是硬接觸，切向之間接觸考慮摩擦。

圖3 格柵夾芯板低速沖擊有限元模型示意圖

圖4 點陣夾芯板壓縮有限元模型示意圖

2 算例分析

對格柵夾芯板、點陣夾芯板兩種典型的夾芯結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行低速沖擊仿真、壓縮仿真分析，其面板與芯子的材料均為CF/PEEK（碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮），材料參數(shù)來自文獻(xiàn)[15]，面板纖維堆疊順序為[90°/0°/90°/0°]s，在插件的GUI界面上輸入相關(guān)參數(shù)，并提交分析。

2.1 格柵夾芯板低速沖擊仿真分析

使用插件自帶的格柵芯子和vumat子程序建立格柵夾芯板低速沖擊仿真模型，如圖3所示，沖擊速度為1.5m/s，芯子嵌條纖維堆疊順序為[90°/0°/90°/0°]s。

從圖5可以看出，最大沖擊載荷為4.99kN，沖擊器最大位移為2.24mm。沖擊響應(yīng)可分為4個階段：彈性階段，格柵夾芯結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形；第一線性增加階段，上面板和芯子發(fā)生塑性變形；第二線性增加階段，下面板也發(fā)生變形；回彈階段，沖擊器被反彈，沖擊力下降。從圖6可以看出，上復(fù)合材料面板最主要的損傷形式是垂直于纖維方向的基體拉伸失效，損傷基本位于沖擊處，未向四周擴(kuò)展，表明格柵夾芯結(jié)構(gòu)具有良好的低速沖擊阻抗。

圖5 載荷-時間和位移-時間曲線

圖6 格柵夾芯結(jié)構(gòu)上面板損傷形貌

注：(a)纖維拉伸損傷，(b)纖維壓縮損傷，(c)基體拉伸損傷，(d)基體壓縮損傷。

2.2 點陣夾芯板壓縮仿真分析

導(dǎo)入點陣芯子建立點陣夾芯板壓縮仿真模型，如圖4所示，芯子模型來自文獻(xiàn)[15]，其失效判據(jù)準(zhǔn)則和損傷演化方法采用2.1節(jié)提供的方案。

從圖7可以看出，壓縮響應(yīng)可分為3個階段：彈性階段，隨著壓縮位移的增加，越來越多的部件分擔(dān)受力，應(yīng)力呈線性彈性增大的現(xiàn)象；平臺階段，結(jié)構(gòu)開始失穩(wěn)并發(fā)生破壞，但對載荷的增加不敏感；致密階段，芯子被壓實，壓應(yīng)力持續(xù)上升。該點陣夾芯結(jié)構(gòu)的正面最大應(yīng)變近似為5%，應(yīng)用時應(yīng)將其納入考量，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖7 點陣夾芯板壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

本文提出了基于Python語言的可視化復(fù)合材料夾芯板力學(xué)仿真模型的建模方法，并利用該二次開發(fā)插件對一些典型的夾芯結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行低速沖擊、壓縮仿真。主要得出以下結(jié)論：

（1）本文首次系統(tǒng)地提出了針對不同芯子的復(fù)合材料夾芯板力學(xué)仿真模型的建模方法，采用模塊化設(shè)計，通過人機(jī)交互式界面設(shè)置夾芯板力學(xué)仿真模型的各項參數(shù)，可以快速建立復(fù)合材料層合板模型、復(fù)合材料夾芯板模型、復(fù)合材料夾芯板沖擊仿真模型、復(fù)合材料夾芯板壓縮仿真模型，達(dá)到芯子結(jié)構(gòu)設(shè)計與其力學(xué)性能分析快速響應(yīng)的目的，為設(shè)計和制造航空復(fù)材夾芯板提供輔助作用。

（2）該種復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真建模方法，適用于任意芯子模型，具備廣泛的適用性，插件自帶可調(diào)用子程序功能，內(nèi)嵌常用的3D Hashin復(fù)合材料損傷判定子程序，仿真結(jié)果更合理，接近于理論與實際，夾芯板力學(xué)仿真結(jié)果表明，格柵夾芯結(jié)構(gòu)具有良好的低速沖擊阻抗，點陣夾芯結(jié)構(gòu)正面最大應(yīng)變近似為5%。

[1] 任曉雨，肖麗英，郝智秀. 類桁架點陣多孔材料的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造，2020(08): 288-291, 295.

[2] 熊健，杜昀桐，楊雯，等. 輕質(zhì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)性能最新進(jìn)展[J]. 宇航學(xué)報，2020, 41(06): 749-760.

[3] MA Q, REJAB M R M, SIREGAR J P, et al. A review of the recent trends on core structures and impact response of sandwich panels[J]. Journal of Composite Materials, 2021, 55(18): 2513-2555.

[4] GIUSTO G, TOTARO G, SPENA P, et al. Composite grid structure technology for space applications[J]. Materials Today: Proceedings, 2021, 34: 332-340.

[5] 胡建華，張?zhí)鞐睿艄谟?，? 基于CATIA的飛機(jī)壁板展開軟件開發(fā)[J]. 航空制造技術(shù)，2022, 65(11): 98-103.

[6] 趙遼翔，呂文俊，王君香，等. ABAQUS鋁蜂窩板GUI建模程序開發(fā)研究[J]. 中國高新科技，2022(02): 16-19.

[7] 董明軍，曹忠亮，韓振華，等. Abaqus二次開發(fā)在變剛度層合板屈曲分析中的應(yīng)用[J]. 復(fù)合材料科學(xué)與工程，2022(03): 24-28.

[8] 陳芳育，李進(jìn)，邱瑋楨，等. 基于Python的ABAQUS二次開發(fā)在復(fù)合材料層合板沖擊建模中的應(yīng)用[J]. 裝備環(huán)境工程，2020, 17(09): 1-6.

[9] ?ZEN ?, ?AVA K, GEDIKLI H, et al. Low-energy impact response of composite sandwich panels with thermoplastic honeycomb and reentrant cores[J]. Thin-Walled Structures, 2020, 156: 106989.

[10] ZHANG Y, YAN L, ZHANG C, et al. Low-velocity impact response of tube-reinforced honeycomb sandwich structure[J]. Thin-Walled Structures, 2021, 158: 107188.

[11] 張亞文，陳秉智，石姍姍，等. 格柵-蜂窩混式芯體夾芯結(jié)構(gòu)的低速沖擊性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2022, 39(01): 381-389.

[12] ZHANG X M, WANG Y C, FOSTER A S J, et al. Elastic local buckling behaviour of beetle elytron plate[J]. Thin-Walled Structures, 2021, 165: 107922.

[13] 李響，宋小俊，曹祥斌. 輕質(zhì)高強(qiáng)類蜂窩夾層結(jié)構(gòu)軸向壓縮屈曲失效分析[J]. 塑性工程學(xué)報，2021, 28(09): 137-143.

[14] 劉玥，劉偉，華洲，等. 復(fù)合材料Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的平壓試驗研究[J]. 航空制造技術(shù)，2020, 63(17): 86-91.

[15] HU J, LIU A, ZHU S, et al. Novel panel-core connection process and impact behaviors of CF/PEEK thermoplastic composite sandwich structures with truss cores[J]. Composite Structures, 2020, 251: 112659.

Application of Abaqus secondary development in mechanical properties of composite sandwich

ZHU Hao，CAO Zhong-liang，QIU Rui，HAN Zhen-hua

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology, Jiangsu Changzhou 213001, China)

The composite sandwich panel has the advantages of lightweight and multi-function, and is considered to be the most promising lightweight structure. In view of the complex modeling of composite sandwich panel finite element model and the low modeling efficiency caused by the new secondary development of new core structure, the pre-processing module of Abaqus is redeveloped based on Python language, the interactive interface of parametric modeling is established, the mechanical simulation model of composite sandwich panel is constructed, so as to achieve the purpose of rapid response of core structure design and mechanical property analysis. Finally, the mechanical simulation analysis of two typical sandwich structures such as grid sandwich panel and lattice sandwich panel is carried out through an example to verify the feasibility of secondary development.

composites；sandwich panel；Python language；Abaqus secondary development；mechanical simulation

TB33

A

1007-984X(2023)03-0001-05

2022-12-15

江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項目（21KJA460004）；江蘇省研究生實踐創(chuàng)新計劃（SJCX21_1325）；常州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃（CJ20200062）

朱昊（1996-），男，江蘇宿遷人，碩士，主要從事復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，2060738018@qq.com。