基于ABAQUS的編織纖維層合板結(jié)構(gòu)分析

佟剛+趙林楠

摘 要：描述復(fù)合材料編織纖維層合板結(jié)構(gòu)的特點，提出了一種利用ABAQUS軟件建立復(fù)合材料編織纖維層合板結(jié)構(gòu)有限元模型來模擬實驗結(jié)果的方法與步驟，簡單闡述了后處理方法，并通過一組有限元計算實例與實驗數(shù)據(jù)進行的比較驗證該方法的準確性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 碳纖維編織布 層合板結(jié)構(gòu) 有限元

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（c）-0087-02

先進復(fù)合材料是一種由起增強作用的纖維材料和起粘合作用的基體材料經(jīng)適當工藝復(fù)合而成的新型材料。它具有比強度大、可設(shè)計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定以及制造維修方便等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1]。

雖然復(fù)合材料有諸多優(yōu)點，但是其與金屬材料完全不同的力學(xué)性能又給設(shè)計設(shè)計人員帶來很多困難，傳統(tǒng)的方法是使用復(fù)合材料力學(xué)理論進行分析計算，然而這種方法較為復(fù)雜且效率低下，可重復(fù)使用性差；通過實驗的方法雖能得到準確的性能數(shù)據(jù)，但無疑會加大研發(fā)的成本而且現(xiàn)實中也無法對所有的結(jié)構(gòu)進行實驗；應(yīng)用有限元分析軟件中的與復(fù)合材料相關(guān)的模塊可以建立復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫和復(fù)合材料零部件模型，高效準確地進行復(fù)合材料有限元分析，得到與實驗結(jié)果較為接近的數(shù)據(jù)[2]。

對于大量使用的復(fù)合材料層合板，ABAQUS引入專門用于復(fù)合材料的設(shè)計模塊PLYUP建立復(fù)合材料層合板，使其建模與有限元分析變得簡單。該文利用ABAQUS建立通用飛機用典型復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)模型的方法，并對其進行有限元分析，最后通過與實驗數(shù)據(jù)的對比來驗證該方法的有效性。

1 建立復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)有限元模型

1.1 獲得單層版性能數(shù)據(jù)

在ABAQUS中可以利用復(fù)合材料單層板的相互疊合來建立復(fù)合材料層合板的有限元模型，因此首先需要知道復(fù)合材料單層板的性能數(shù)據(jù)，單層板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以通過單軸拉伸實驗和縱橫剪切實驗得到[3]。實驗所用材料為碳纖維雙向編織預(yù)浸料，其牌號TENAX W-3161，可以將其等效為兩層等厚度的單向纖維板正交鋪設(shè)。實驗件的規(guī)格、尺寸要求及纖維方向分別在圖1、圖2中定義。實驗所得復(fù)合材料單層板的性能數(shù)據(jù)如表1所示，可以利用此數(shù)據(jù)在ABAQUS創(chuàng)建Lamina材料模型并進而創(chuàng)建層合板模型。

1.2 建立層合板模型及后處理

這樣，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模塊建立復(fù)合材料層合板模型。對于每個鋪層，可選擇鋪層應(yīng)用的區(qū)域、使用的材料、鋪層的鋪設(shè)角度以及厚度等，在ABAQUS中可以通過查詢命令展示每層的鋪層情況。其中需要注意的是在定義材料屬性時，應(yīng)注意材料的方向性，即單元的材料方向應(yīng)與纖維的縱向一致。

定義好有限元模型后，提交作業(yè)，生成結(jié)果文件，將結(jié)果文件與模型連接。在ABAQUS中，對復(fù)合材料層合板進行強度校核需要輸出單元應(yīng)力（Element Stressess）和單元應(yīng)變（Element Strain）的結(jié)果。用戶可根據(jù)這些結(jié)果對復(fù)合材料層合板進行強度分析。

2 驗證

為了驗證復(fù)合材料有限元模型的準確性，建立一個與試驗件相同的平板型復(fù)合材料層合板有限元模型，并計算出最大載荷情況下的應(yīng)力值與應(yīng)變值，通過該值與實驗結(jié)果進行對比，以驗證該方法的有效性。試驗件尺寸依然按圖2進行要求，層合板由TENAX“W-3161”碳纖維編織布混合鋪層組成，分別利用實驗方法和ABAQUS建模進行計算。然后對實驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果進行比較，計算出二者的誤差。限于篇幅，該文只列出第一層縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變，如表2所示。

從實驗數(shù)據(jù)和ABAQUS分析結(jié)果的比較中可以看出，兩者的誤差是比較小的，是在可以接受的范圍內(nèi)的，因此利用ABAQUS/CAE來分析復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)是可行的，并且是能夠得到較為準確結(jié)果的。

3 結(jié)語

該文描述了復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的特點，闡述了利用ABAQUS中的PIYUP模塊建立復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)有限元模型的方法和步驟，并在此基礎(chǔ)上對有限元模型進行了后處理分析，最后通過一組有限元算例與真實的實驗數(shù)據(jù)進行比較驗證了該方法的準確性。因此該文得出這樣的結(jié)論：利用ABAQUS的復(fù)合材料模塊能夠?qū)?fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)進行有效并準確的分析。

參考文獻

[1] 張博平.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[2] 陳眾迎.T300/AG80復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的測試與分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 王耀先.復(fù)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].上海：華東工業(yè)大學(xué)出版社，2012.endprint

摘 要：描述復(fù)合材料編織纖維層合板結(jié)構(gòu)的特點，提出了一種利用ABAQUS軟件建立復(fù)合材料編織纖維層合板結(jié)構(gòu)有限元模型來模擬實驗結(jié)果的方法與步驟，簡單闡述了后處理方法，并通過一組有限元計算實例與實驗數(shù)據(jù)進行的比較驗證該方法的準確性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 碳纖維編織布 層合板結(jié)構(gòu) 有限元

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（c）-0087-02

先進復(fù)合材料是一種由起增強作用的纖維材料和起粘合作用的基體材料經(jīng)適當工藝復(fù)合而成的新型材料。它具有比強度大、可設(shè)計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定以及制造維修方便等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1]。

雖然復(fù)合材料有諸多優(yōu)點，但是其與金屬材料完全不同的力學(xué)性能又給設(shè)計設(shè)計人員帶來很多困難，傳統(tǒng)的方法是使用復(fù)合材料力學(xué)理論進行分析計算，然而這種方法較為復(fù)雜且效率低下，可重復(fù)使用性差；通過實驗的方法雖能得到準確的性能數(shù)據(jù)，但無疑會加大研發(fā)的成本而且現(xiàn)實中也無法對所有的結(jié)構(gòu)進行實驗；應(yīng)用有限元分析軟件中的與復(fù)合材料相關(guān)的模塊可以建立復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫和復(fù)合材料零部件模型，高效準確地進行復(fù)合材料有限元分析，得到與實驗結(jié)果較為接近的數(shù)據(jù)[2]。

對于大量使用的復(fù)合材料層合板，ABAQUS引入專門用于復(fù)合材料的設(shè)計模塊PLYUP建立復(fù)合材料層合板，使其建模與有限元分析變得簡單。該文利用ABAQUS建立通用飛機用典型復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)模型的方法，并對其進行有限元分析，最后通過與實驗數(shù)據(jù)的對比來驗證該方法的有效性。

1 建立復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)有限元模型

1.1 獲得單層版性能數(shù)據(jù)

在ABAQUS中可以利用復(fù)合材料單層板的相互疊合來建立復(fù)合材料層合板的有限元模型，因此首先需要知道復(fù)合材料單層板的性能數(shù)據(jù)，單層板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以通過單軸拉伸實驗和縱橫剪切實驗得到[3]。實驗所用材料為碳纖維雙向編織預(yù)浸料，其牌號TENAX W-3161，可以將其等效為兩層等厚度的單向纖維板正交鋪設(shè)。實驗件的規(guī)格、尺寸要求及纖維方向分別在圖1、圖2中定義。實驗所得復(fù)合材料單層板的性能數(shù)據(jù)如表1所示，可以利用此數(shù)據(jù)在ABAQUS創(chuàng)建Lamina材料模型并進而創(chuàng)建層合板模型。

1.2 建立層合板模型及后處理

這樣，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模塊建立復(fù)合材料層合板模型。對于每個鋪層，可選擇鋪層應(yīng)用的區(qū)域、使用的材料、鋪層的鋪設(shè)角度以及厚度等，在ABAQUS中可以通過查詢命令展示每層的鋪層情況。其中需要注意的是在定義材料屬性時，應(yīng)注意材料的方向性，即單元的材料方向應(yīng)與纖維的縱向一致。

定義好有限元模型后，提交作業(yè)，生成結(jié)果文件，將結(jié)果文件與模型連接。在ABAQUS中，對復(fù)合材料層合板進行強度校核需要輸出單元應(yīng)力（Element Stressess）和單元應(yīng)變（Element Strain）的結(jié)果。用戶可根據(jù)這些結(jié)果對復(fù)合材料層合板進行強度分析。

2 驗證

為了驗證復(fù)合材料有限元模型的準確性，建立一個與試驗件相同的平板型復(fù)合材料層合板有限元模型，并計算出最大載荷情況下的應(yīng)力值與應(yīng)變值，通過該值與實驗結(jié)果進行對比，以驗證該方法的有效性。試驗件尺寸依然按圖2進行要求，層合板由TENAX“W-3161”碳纖維編織布混合鋪層組成，分別利用實驗方法和ABAQUS建模進行計算。然后對實驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果進行比較，計算出二者的誤差。限于篇幅，該文只列出第一層縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變，如表2所示。

從實驗數(shù)據(jù)和ABAQUS分析結(jié)果的比較中可以看出，兩者的誤差是比較小的，是在可以接受的范圍內(nèi)的，因此利用ABAQUS/CAE來分析復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)是可行的，并且是能夠得到較為準確結(jié)果的。

3 結(jié)語

該文描述了復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的特點，闡述了利用ABAQUS中的PIYUP模塊建立復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)有限元模型的方法和步驟，并在此基礎(chǔ)上對有限元模型進行了后處理分析，最后通過一組有限元算例與真實的實驗數(shù)據(jù)進行比較驗證了該方法的準確性。因此該文得出這樣的結(jié)論：利用ABAQUS的復(fù)合材料模塊能夠?qū)?fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)進行有效并準確的分析。

參考文獻

[1] 張博平.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[2] 陳眾迎.T300/AG80復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的測試與分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 王耀先.復(fù)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].上海：華東工業(yè)大學(xué)出版社，2012.endprint

摘 要：描述復(fù)合材料編織纖維層合板結(jié)構(gòu)的特點，提出了一種利用ABAQUS軟件建立復(fù)合材料編織纖維層合板結(jié)構(gòu)有限元模型來模擬實驗結(jié)果的方法與步驟，簡單闡述了后處理方法，并通過一組有限元計算實例與實驗數(shù)據(jù)進行的比較驗證該方法的準確性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 碳纖維編織布 層合板結(jié)構(gòu) 有限元

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（c）-0087-02

先進復(fù)合材料是一種由起增強作用的纖維材料和起粘合作用的基體材料經(jīng)適當工藝復(fù)合而成的新型材料。它具有比強度大、可設(shè)計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定以及制造維修方便等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1]。

雖然復(fù)合材料有諸多優(yōu)點，但是其與金屬材料完全不同的力學(xué)性能又給設(shè)計設(shè)計人員帶來很多困難，傳統(tǒng)的方法是使用復(fù)合材料力學(xué)理論進行分析計算，然而這種方法較為復(fù)雜且效率低下，可重復(fù)使用性差；通過實驗的方法雖能得到準確的性能數(shù)據(jù)，但無疑會加大研發(fā)的成本而且現(xiàn)實中也無法對所有的結(jié)構(gòu)進行實驗；應(yīng)用有限元分析軟件中的與復(fù)合材料相關(guān)的模塊可以建立復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫和復(fù)合材料零部件模型，高效準確地進行復(fù)合材料有限元分析，得到與實驗結(jié)果較為接近的數(shù)據(jù)[2]。

對于大量使用的復(fù)合材料層合板，ABAQUS引入專門用于復(fù)合材料的設(shè)計模塊PLYUP建立復(fù)合材料層合板，使其建模與有限元分析變得簡單。該文利用ABAQUS建立通用飛機用典型復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)模型的方法，并對其進行有限元分析，最后通過與實驗數(shù)據(jù)的對比來驗證該方法的有效性。

1 建立復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)有限元模型

1.1 獲得單層版性能數(shù)據(jù)

在ABAQUS中可以利用復(fù)合材料單層板的相互疊合來建立復(fù)合材料層合板的有限元模型，因此首先需要知道復(fù)合材料單層板的性能數(shù)據(jù)，單層板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以通過單軸拉伸實驗和縱橫剪切實驗得到[3]。實驗所用材料為碳纖維雙向編織預(yù)浸料，其牌號TENAX W-3161，可以將其等效為兩層等厚度的單向纖維板正交鋪設(shè)。實驗件的規(guī)格、尺寸要求及纖維方向分別在圖1、圖2中定義。實驗所得復(fù)合材料單層板的性能數(shù)據(jù)如表1所示，可以利用此數(shù)據(jù)在ABAQUS創(chuàng)建Lamina材料模型并進而創(chuàng)建層合板模型。

1.2 建立層合板模型及后處理

這樣，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模塊建立復(fù)合材料層合板模型。對于每個鋪層，可選擇鋪層應(yīng)用的區(qū)域、使用的材料、鋪層的鋪設(shè)角度以及厚度等，在ABAQUS中可以通過查詢命令展示每層的鋪層情況。其中需要注意的是在定義材料屬性時，應(yīng)注意材料的方向性，即單元的材料方向應(yīng)與纖維的縱向一致。

定義好有限元模型后，提交作業(yè)，生成結(jié)果文件，將結(jié)果文件與模型連接。在ABAQUS中，對復(fù)合材料層合板進行強度校核需要輸出單元應(yīng)力（Element Stressess）和單元應(yīng)變（Element Strain）的結(jié)果。用戶可根據(jù)這些結(jié)果對復(fù)合材料層合板進行強度分析。

2 驗證

為了驗證復(fù)合材料有限元模型的準確性，建立一個與試驗件相同的平板型復(fù)合材料層合板有限元模型，并計算出最大載荷情況下的應(yīng)力值與應(yīng)變值，通過該值與實驗結(jié)果進行對比，以驗證該方法的有效性。試驗件尺寸依然按圖2進行要求，層合板由TENAX“W-3161”碳纖維編織布混合鋪層組成，分別利用實驗方法和ABAQUS建模進行計算。然后對實驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果進行比較，計算出二者的誤差。限于篇幅，該文只列出第一層縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變，如表2所示。

從實驗數(shù)據(jù)和ABAQUS分析結(jié)果的比較中可以看出，兩者的誤差是比較小的，是在可以接受的范圍內(nèi)的，因此利用ABAQUS/CAE來分析復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)是可行的，并且是能夠得到較為準確結(jié)果的。

3 結(jié)語

該文描述了復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的特點，闡述了利用ABAQUS中的PIYUP模塊建立復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)有限元模型的方法和步驟，并在此基礎(chǔ)上對有限元模型進行了后處理分析，最后通過一組有限元算例與真實的實驗數(shù)據(jù)進行比較驗證了該方法的準確性。因此該文得出這樣的結(jié)論：利用ABAQUS的復(fù)合材料模塊能夠?qū)?fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)進行有效并準確的分析。

參考文獻

[1] 張博平.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[2] 陳眾迎.T300/AG80復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的測試與分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 王耀先.復(fù)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].上海：華東工業(yè)大學(xué)出版社，2012.endprint