基于ABAQUS的編織纖維層合板結構分析

佟剛+趙林楠

摘 要：描述復合材料編織纖維層合板結構的特點，提出了一種利用ABAQUS軟件建立復合材料編織纖維層合板結構有限元模型來模擬實驗結果的方法與步驟，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據進行的比較驗證該方法的準確性。

關鍵詞：復合材料 碳纖維編織布 層合板結構 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適當工藝復合而成的新型材料。它具有比強度大、可設計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕、結構尺寸穩定以及制造維修方便等優點，因此廣泛應用于航空航天等領域[1]。

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

對于大量使用的復合材料層合板，ABAQUS引入專門用于復合材料的設計模塊PLYUP建立復合材料層合板，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合材料層合板結構模型的方法，并對其進行有限元分析，最后通過與實驗數據的對比來驗證該方法的有效性。

1 建立復合材料層合板結構有限元模型

1.1 獲得單層版性能數據

在ABAQUS中可以利用復合材料單層板的相互疊合來建立復合材料層合板的有限元模型，因此首先需要知道復合材料單層板的性能數據，單層板的力學性能數據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。實驗件的規格、尺寸要求及纖維方向分別在圖1、圖2中定義。實驗所得復合材料單層板的性能數據如表1所示，可以利用此數據在ABAQUS創建Lamina材料模型并進而創建層合板模型。

1.2 建立層合板模型及后處理

這樣，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模塊建立復合材料層合板模型。對于每個鋪層，可選擇鋪層應用的區域、使用的材料、鋪層的鋪設角度以及厚度等，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，應注意材料的方向性，即單元的材料方向應與纖維的縱向一致。

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

2 驗證

為了驗證復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合材料層合板有限元模型，并計算出最大載荷情況下的應力值與應變值，通過該值與實驗結果進行對比，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。然后對實驗結果和有限元計算結果進行比較，計算出二者的誤差。限于篇幅，該文只列出第一層縱向應力、橫向應力、縱向應變、橫向應變，如表2所示。

從實驗數據和ABAQUS分析結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的，因此利用ABAQUS/CAE來分析復合材料層合板結構是可行的，并且是能夠得到較為準確結果的。

3 結語

該文描述了復合材料層合板結構的特點，闡述了利用ABAQUS中的PIYUP模塊建立復合材料層合板結構有限元模型的方法和步驟，并在此基礎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據進行比較驗證了該方法的準確性。因此該文得出這樣的結論：利用ABAQUS的復合材料模塊能夠對復合材料層合板結構進行有效并準確的分析。

參考文獻

[1] 張博平.復合材料結構力學[M].陜西：西北工業大學出版社，2012.

[2] 陳眾迎.T300/AG80復合材料層合板力學性能的測試與分析[D].北京：北京工業大學，2010.

[3] 王耀先.復合材料力學與結構設計[D].上海：華東工業大學出版社，2012.endprint

摘 要：描述復合材料編織纖維層合板結構的特點，提出了一種利用ABAQUS軟件建立復合材料編織纖維層合板結構有限元模型來模擬實驗結果的方法與步驟，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據進行的比較驗證該方法的準確性。

關鍵詞：復合材料 碳纖維編織布 層合板結構 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適當工藝復合而成的新型材料。它具有比強度大、可設計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕、結構尺寸穩定以及制造維修方便等優點，因此廣泛應用于航空航天等領域[1]。

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

對于大量使用的復合材料層合板，ABAQUS引入專門用于復合材料的設計模塊PLYUP建立復合材料層合板，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合材料層合板結構模型的方法，并對其進行有限元分析，最后通過與實驗數據的對比來驗證該方法的有效性。

1 建立復合材料層合板結構有限元模型

1.1 獲得單層版性能數據

在ABAQUS中可以利用復合材料單層板的相互疊合來建立復合材料層合板的有限元模型，因此首先需要知道復合材料單層板的性能數據，單層板的力學性能數據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。實驗件的規格、尺寸要求及纖維方向分別在圖1、圖2中定義。實驗所得復合材料單層板的性能數據如表1所示，可以利用此數據在ABAQUS創建Lamina材料模型并進而創建層合板模型。

1.2 建立層合板模型及后處理

這樣，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模塊建立復合材料層合板模型。對于每個鋪層，可選擇鋪層應用的區域、使用的材料、鋪層的鋪設角度以及厚度等，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，應注意材料的方向性，即單元的材料方向應與纖維的縱向一致。

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

2 驗證

為了驗證復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合材料層合板有限元模型，并計算出最大載荷情況下的應力值與應變值，通過該值與實驗結果進行對比，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。然后對實驗結果和有限元計算結果進行比較，計算出二者的誤差。限于篇幅，該文只列出第一層縱向應力、橫向應力、縱向應變、橫向應變，如表2所示。

從實驗數據和ABAQUS分析結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的，因此利用ABAQUS/CAE來分析復合材料層合板結構是可行的，并且是能夠得到較為準確結果的。

3 結語

該文描述了復合材料層合板結構的特點，闡述了利用ABAQUS中的PIYUP模塊建立復合材料層合板結構有限元模型的方法和步驟，并在此基礎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據進行比較驗證了該方法的準確性。因此該文得出這樣的結論：利用ABAQUS的復合材料模塊能夠對復合材料層合板結構進行有效并準確的分析。

參考文獻

[1] 張博平.復合材料結構力學[M].陜西：西北工業大學出版社，2012.

[2] 陳眾迎.T300/AG80復合材料層合板力學性能的測試與分析[D].北京：北京工業大學，2010.

[3] 王耀先.復合材料力學與結構設計[D].上海：華東工業大學出版社，2012.endprint

摘 要：描述復合材料編織纖維層合板結構的特點，提出了一種利用ABAQUS軟件建立復合材料編織纖維層合板結構有限元模型來模擬實驗結果的方法與步驟，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據進行的比較驗證該方法的準確性。

關鍵詞：復合材料 碳纖維編織布 層合板結構 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適當工藝復合而成的新型材料。它具有比強度大、可設計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕、結構尺寸穩定以及制造維修方便等優點，因此廣泛應用于航空航天等領域[1]。

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

對于大量使用的復合材料層合板，ABAQUS引入專門用于復合材料的設計模塊PLYUP建立復合材料層合板，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合材料層合板結構模型的方法，并對其進行有限元分析，最后通過與實驗數據的對比來驗證該方法的有效性。

1 建立復合材料層合板結構有限元模型

1.1 獲得單層版性能數據

在ABAQUS中可以利用復合材料單層板的相互疊合來建立復合材料層合板的有限元模型，因此首先需要知道復合材料單層板的性能數據，單層板的力學性能數據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。實驗件的規格、尺寸要求及纖維方向分別在圖1、圖2中定義。實驗所得復合材料單層板的性能數據如表1所示，可以利用此數據在ABAQUS創建Lamina材料模型并進而創建層合板模型。

1.2 建立層合板模型及后處理

這樣，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模塊建立復合材料層合板模型。對于每個鋪層，可選擇鋪層應用的區域、使用的材料、鋪層的鋪設角度以及厚度等，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，應注意材料的方向性，即單元的材料方向應與纖維的縱向一致。

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

2 驗證

為了驗證復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合材料層合板有限元模型，并計算出最大載荷情況下的應力值與應變值，通過該值與實驗結果進行對比，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。然后對實驗結果和有限元計算結果進行比較，計算出二者的誤差。限于篇幅，該文只列出第一層縱向應力、橫向應力、縱向應變、橫向應變，如表2所示。

從實驗數據和ABAQUS分析結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的，因此利用ABAQUS/CAE來分析復合材料層合板結構是可行的，并且是能夠得到較為準確結果的。

3 結語

該文描述了復合材料層合板結構的特點，闡述了利用ABAQUS中的PIYUP模塊建立復合材料層合板結構有限元模型的方法和步驟，并在此基礎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據進行比較驗證了該方法的準確性。因此該文得出這樣的結論：利用ABAQUS的復合材料模塊能夠對復合材料層合板結構進行有效并準確的分析。

參考文獻

[1] 張博平.復合材料結構力學[M].陜西：西北工業大學出版社，2012.

[2] 陳眾迎.T300/AG80復合材料層合板力學性能的測試與分析[D].北京：北京工業大學，2010.

[3] 王耀先.復合材料力學與結構設計[D].上海：華東工業大學出版社，2012.endprint