CAE軟件操作小百科

劉思奇

1 Abaqus中的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其建模方法有哪些？

Abaqus提供多種途徑對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。根據(jù)復(fù)合材料的種類、對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息、邊界條件等因素選擇合適的方法，最終可得到理想的結(jié)果。復(fù)合結(jié)構(gòu)是由復(fù)合材料制成的，其中層狀復(fù)合材料比較常見(jiàn)，主要包括纖維增強(qiáng)塑料、層合板和夾芯板等。復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。根據(jù)組分不同可對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行分類，主要有聚合物基復(fù)合材料（polymer matrix composite， PMC）、金屬基復(fù)合材料（metal matrix composite， MMC）、陶瓷基復(fù)合材料（ceramic matrix composite， CMC）、碳和石墨基復(fù)合材料（carbon and graphite matrix composite， CGMC）等。

Abaqus軟件可提供多種方法對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬：

（1）微觀上，基體和增強(qiáng)材料可采用單獨(dú)的可變形連續(xù)體進(jìn)行模擬。

（2）宏觀上，基體和增強(qiáng)材料可采用整體的可變形連續(xù)體進(jìn)行模擬。當(dāng)單個(gè)纖維的微觀行為和與基體的相互作用不重要時(shí)，這種方法效果較好。

（3）混合建模時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)可采用單一正交各向異性材料進(jìn)行模擬。當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體行為比微觀行為更重要時(shí)，可以采用這種方法，定義單個(gè)材料即可預(yù)測(cè)全局行為。

2 Abaqus模擬復(fù)合材料如何設(shè)置單元類型？

Abaqus建模的單元類型設(shè)置見(jiàn)圖1。Abaqus共有3種單元類型可供選擇：Conventional Shell單元、Continuum Shell單元和Solid單元。Conventional Shell為殼單元;Continuum Shell和Solid都是體單元，但Solid單元不能選擇Lamina（復(fù)合材料）類型，只有Continuum Shell可以定義Lamina類型。

3 Abaqus復(fù)合材料層壓板靜力分析步驟有哪些？

復(fù)合材料層壓板靜力分析步驟如下。

（1）創(chuàng)建幾何模型，見(jiàn)圖2。

（2）創(chuàng)建Lamina材料，定義相關(guān)屬性。

（3）創(chuàng)建復(fù)合材料鋪層，使用part global定義鋪層方向。

（4）打開(kāi)Create Composite Layup并定義參考坐標(biāo)系，點(diǎn)擊Edit Composite Layup選擇各鋪層的Rotation Angle，可以在視圖區(qū)顯示該角度對(duì)應(yīng)的鋪層方向。

（5）創(chuàng)建分析步。

（6）編輯場(chǎng)輸出變量。

（7）創(chuàng)建邊界條件，矩形設(shè)置左側(cè)固支。

（8）創(chuàng)建載荷。

（9）網(wǎng)格劃分。

（10）選擇單元類型，默認(rèn)單元為S4R。

（11）創(chuàng)建分析作業(yè)并提交分析。

（12）可視化后處理。

4 Abaqus中如何使用Coordinate system定義鋪層方向？如何定義復(fù)合材料堆疊？

Coordinate system定義鋪層方向步驟如下。

（1）進(jìn)入Part模塊，創(chuàng)建直角坐標(biāo)系。

（2）編輯復(fù)合材料鋪層，在Edit Composite Layup對(duì)話框中定義鋪層方向?yàn)镃oordinate system，然后查看并確認(rèn)各鋪層方向。

（3）創(chuàng)建分析步并提交作業(yè)、可視化后處理。

軟件操作中的小技巧有：選定某一列再點(diǎn)擊編輯，即可讓材料、厚度、實(shí)施區(qū)域保持一致;利用鋪層的可復(fù)制性、對(duì)稱性等特點(diǎn)可以簡(jiǎn)化操作;選定每行的鋪層可以定位其方位，可通過(guò)數(shù)字1的方向校對(duì)其是否正確。

以層壓板的順序形成布置層，稱為疊層或堆疊。正確的堆疊方向才能得到良好的計(jì)算結(jié)果及其云圖。定義堆疊的方法主要有Element direction、Mesh control和Assign stack direction等。

5 Abaqus中復(fù)合材料的損傷準(zhǔn)則有哪些？如何使用？

在Abaqus中利用實(shí)體殼單元模擬復(fù)合材料時(shí)，一般使用其自帶的Hashin失效準(zhǔn)則，此時(shí)建模方式有2種：一是Creat Composite Layup建模，需要在分析步中設(shè)置輸出Sdeg Dmicrt Status，但不能在板厚度方向上選定特定區(qū)域施加力載荷，否則可能會(huì)無(wú)法定義側(cè)向力;二是Creat Section建模，建立復(fù)合材料鋪層時(shí)在mesh模塊中選擇Element Deletion，即可顯示材料破壞情況。三維復(fù)合材料實(shí)體如果使用Hashin失效準(zhǔn)則，那么需要對(duì)材料進(jìn)行自定義。

TsaiWu張量準(zhǔn)則也是復(fù)合材料失效準(zhǔn)則之一，是建立在宏觀力學(xué)基礎(chǔ)上的宏觀失效準(zhǔn)則，因此將其作為斷裂失效的標(biāo)準(zhǔn)有失偏頗，但是對(duì)復(fù)合材

料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很有參考價(jià)值。

Hashin失效準(zhǔn)則是準(zhǔn)細(xì)觀失效準(zhǔn)則，僅僅可以確定纖維和基體的方向，與復(fù)合材料真實(shí)的斷裂失效有一定差距，而且Hashin失效準(zhǔn)則只能用于殼單元，不能用于體單元。在實(shí)際對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行仿真時(shí)，不僅相關(guān)參數(shù)不易獲得，而且精確度也難以保證，這與各向同性材料有明顯區(qū)別。

若使用Hashin準(zhǔn)則判斷層合板是否失效，需要先建立層合板，主要有2種方法。

（1）Property module→Create Section方法。先Property module→Tools→Datum→Type→CSYS定義局部坐標(biāo)系，再Property module→Assign→Material Orientation定義材料方向。Property module→Tools→Query→Materials Orientation可以查看材料方向。

（2）Property module→Create Composite Layup方法。該方法可以建立局部坐標(biāo)系，也可以采用默認(rèn)坐標(biāo)系。Composite Layup創(chuàng)建層合板窗口見(jiàn)圖3。

6 Abaqus在復(fù)合材料中的應(yīng)用還有哪些？

Abaqus具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，關(guān)于復(fù)合材料有很多專題可以進(jìn)行研究，例如考慮剛度退化的層合結(jié)構(gòu)建模分析、復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)分析、復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊分析、基于python語(yǔ)言的復(fù)合材料加筋板參數(shù)化建模、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高速?zèng)_擊分析（鳥撞）等。

（摘自同濟(jì)大學(xué)鄭百林教授《CAE操作技能與實(shí)踐》課堂講義）