CAE軟件操作小百科

劉思奇

1 Abaqus中的復合結構及其建模方法有哪些？

Abaqus提供多種途徑對復合結構進行建模。根據復合材料的種類、對應的數據信息、邊界條件等因素選擇合適的方法，最終可得到理想的結果。復合結構是由復合材料制成的，其中層狀復合材料比較常見，主要包括纖維增強塑料、層合板和夾芯板等。復合材料被廣泛應用于航空航天等領域。根據組分不同可對復合材料進行分類，主要有聚合物基復合材料（polymer matrix composite， PMC）、金屬基復合材料（metal matrix composite， MMC）、陶瓷基復合材料（ceramic matrix composite， CMC）、碳和石墨基復合材料（carbon and graphite matrix composite， CGMC）等。

Abaqus軟件可提供多種方法對復合結構進行模擬：

（1）微觀上，基體和增強材料可采用單獨的可變形連續體進行模擬。

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

（3）混合建模時，復合結構可采用單一正交各向異性材料進行模擬。當結構的整體行為比微觀行為更重要時，可以采用這種方法，定義單個材料即可預測全局行為。

2 Abaqus模擬復合材料如何設置單元類型？

Abaqus建模的單元類型設置見圖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（復合材料）類型，只有Continuum Shell可以定義Lamina類型。

3 Abaqus復合材料層壓板靜力分析步驟有哪些？

復合材料層壓板靜力分析步驟如下。

（1）創建幾何模型，見圖2。

（2）創建Lamina材料，定義相關屬性。

（3）創建復合材料鋪層，使用part global定義鋪層方向。

（4）打開Create Composite Layup并定義參考坐標系，點擊Edit Composite Layup選擇各鋪層的Rotation Angle，可以在視圖區顯示該角度對應的鋪層方向。

（5）創建分析步。

（6）編輯場輸出變量。

（7）創建邊界條件，矩形設置左側固支。

（8）創建載荷。

（9）網格劃分。

（10）選擇單元類型，默認單元為S4R。

（11）創建分析作業并提交分析。

（12）可視化后處理。

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

Coordinate system定義鋪層方向步驟如下。

（1）進入Part模塊，創建直角坐標系。

（2）編輯復合材料鋪層，在Edit Composite Layup對話框中定義鋪層方向為Coordinate system，然后查看并確認各鋪層方向。

（3）創建分析步并提交作業、可視化后處理。

軟件操作中的小技巧有：選定某一列再點擊編輯，即可讓材料、厚度、實施區域保持一致;利用鋪層的可復制性、對稱性等特點可以簡化操作;選定每行的鋪層可以定位其方位，可通過數字1的方向校對其是否正確。

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算結果及其云圖。定義堆疊的方法主要有Element direction、Mesh control和Assign stack direction等。

5 Abaqus中復合材料的損傷準則有哪些？如何使用？

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

TsaiWu張量準則也是復合材料失效準則之一，是建立在宏觀力學基礎上的宏觀失效準則，因此將其作為斷裂失效的標準有失偏頗，但是對復合材

料的結構設計很有參考價值。

Hashin失效準則是準細觀失效準則，僅僅可以確定纖維和基體的方向，與復合材料真實的斷裂失效有一定差距，而且Hashin失效準則只能用于殼單元，不能用于體單元。在實際對復合材料進行仿真時，不僅相關參數不易獲得，而且精確度也難以保證，這與各向同性材料有明顯區別。

若使用Hashin準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系，也可以采用默認坐標系。Composite Layup創建層合板窗口見圖3。

6 Abaqus在復合材料中的應用還有哪些？

Abaqus具有強大的計算功能，關于復合材料有很多專題可以進行研究，例如考慮剛度退化的層合結構建模分析、復合材料層合結構的自由振動分析、復合材料層合結構的動力響應分析、復合材料結構的低速沖擊分析、基于python語言的復合材料加筋板參數化建模、復合材料結構的高速沖擊分析（鳥撞）等。

（摘自同濟大學鄭百林教授《CAE操作技能與實踐》課堂講義）