基于ABAQUS的编织纤维层合板结构分析

佟刚+赵林楠

摘 要：描述复合材料编织纤维层合板结构的特点，提出了一种利用ABAQUS软件建立复合材料编织纤维层合板结构有限元模型来模拟实验结果的方法与步骤，简单阐述了后处理方法，并通过一组有限元计算实例与实验数据进行的比较验证该方法的准确性。

关键词：复合材料 碳纤维编织布 层合板结构 有限元

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0087-02

先进复合材料是一种由起增强作用的纤维材料和起粘合作用的基体材料经适当工艺复合而成的新型材料。它具有比强度大、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定以及制造维修方便等优点，因此广泛应用于航空航天等领域[1]。

虽然复合材料有诸多优点，但是其与金属材料完全不同的力学性能又给设计设计人员带来很多困难，传统的方法是使用复合材料力学理论进行分析计算，然而这种方法较为复杂且效率低下，可重复使用性差；通过实验的方法虽能得到准确的性能数据，但无疑会加大研发的成本而且现实中也无法对所有的结构进行实验；应用有限元分析软件中的与复合材料相关的模块可以建立复合材料数据库和复合材料零部件模型，高效准确地进行复合材料有限元分析，得到与实验结果较为接近的数据[2]。

对于大量使用的复合材料层合板，ABAQUS引入专门用于复合材料的设计模块PLYUP建立复合材料层合板，使其建模与有限元分析变得简单。该文利用ABAQUS建立通用飞机用典型复合材料层合板结构模型的方法，并对其进行有限元分析，最后通过与实验数据的对比来验证该方法的有效性。

1 建立复合材料层合板结构有限元模型

1.1 获得单层版性能数据

在ABAQUS中可以利用复合材料单层板的相互叠合来建立复合材料层合板的有限元模型，因此首先需要知道复合材料单层板的性能数据，单层板的力学性能数据可以通过单轴拉伸实验和纵横剪切实验得到[3]。实验所用材料为碳纤维双向编织预浸料，其牌号TENAX W-3161，可以将其等效为两层等厚度的单向纤维板正交铺设。实验件的规格、尺寸要求及纤维方向分别在图1、图2中定义。实验所得复合材料单层板的性能数据如表1所示，可以利用此数据在ABAQUS创建Lamina材料模型并进而创建层合板模型。

1.2 建立层合板模型及后处理

这样，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模块建立复合材料层合板模型。对于每个铺层，可选择铺层应用的区域、使用的材料、铺层的铺设角度以及厚度等，在ABAQUS中可以通过查询命令展示每层的铺层情况。其中需要注意的是在定义材料属性时，应注意材料的方向性，即单元的材料方向应与纤维的纵向一致。

定义好有限元模型后，提交作业，生成结果文件，将结果文件与模型连接。在ABAQUS中，对复合材料层合板进行强度校核需要输出单元应力（Element Stressess）和单元应变（Element Strain）的结果。用户可根据这些结果对复合材料层合板进行强度分析。

2 验证

为了验证复合材料有限元模型的准确性，建立一个与试验件相同的平板型复合材料层合板有限元模型，并计算出最大载荷情况下的应力值与应变值，通过该值与实验结果进行对比，以验证该方法的有效性。试验件尺寸依然按图2进行要求，层合板由TENAX“W-3161”碳纤维编织布混合铺层组成，分别利用实验方法和ABAQUS建模进行计算。然后对实验结果和有限元计算结果进行比较，计算出二者的误差。限于篇幅，该文只列出第一层纵向应力、横向应力、纵向应变、横向应变，如表2所示。

从实验数据和ABAQUS分析结果的比较中可以看出，两者的误差是比较小的，是在可以接受的范围内的，因此利用ABAQUS/CAE来分析复合材料层合板结构是可行的，并且是能够得到较为准确结果的。

3 结语

该文描述了复合材料层合板结构的特点，阐述了利用ABAQUS中的PIYUP模块建立复合材料层合板结构有限元模型的方法和步骤，并在此基础上对有限元模型进行了后处理分析，最后通过一组有限元算例与真实的实验数据进行比较验证了该方法的准确性。因此该文得出这样的结论：利用ABAQUS的复合材料模块能够对复合材料层合板结构进行有效并准确的分析。

参考文献

[1] 张博平.复合材料结构力学[M].陕西：西北工业大学出版社，2012.

[2] 陈众迎.T300/AG80复合材料层合板力学性能的测试与分析[D].北京：北京工业大学，2010.

[3] 王耀先.复合材料力学与结构设计[D].上海：华东工业大学出版社，2012.endprint

摘 要：描述复合材料编织纤维层合板结构的特点，提出了一种利用ABAQUS软件建立复合材料编织纤维层合板结构有限元模型来模拟实验结果的方法与步骤，简单阐述了后处理方法，并通过一组有限元计算实例与实验数据进行的比较验证该方法的准确性。

关键词：复合材料 碳纤维编织布 层合板结构 有限元

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0087-02

先进复合材料是一种由起增强作用的纤维材料和起粘合作用的基体材料经适当工艺复合而成的新型材料。它具有比强度大、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定以及制造维修方便等优点，因此广泛应用于航空航天等领域[1]。

虽然复合材料有诸多优点，但是其与金属材料完全不同的力学性能又给设计设计人员带来很多困难，传统的方法是使用复合材料力学理论进行分析计算，然而这种方法较为复杂且效率低下，可重复使用性差；通过实验的方法虽能得到准确的性能数据，但无疑会加大研发的成本而且现实中也无法对所有的结构进行实验；应用有限元分析软件中的与复合材料相关的模块可以建立复合材料数据库和复合材料零部件模型，高效准确地进行复合材料有限元分析，得到与实验结果较为接近的数据[2]。

对于大量使用的复合材料层合板，ABAQUS引入专门用于复合材料的设计模块PLYUP建立复合材料层合板，使其建模与有限元分析变得简单。该文利用ABAQUS建立通用飞机用典型复合材料层合板结构模型的方法，并对其进行有限元分析，最后通过与实验数据的对比来验证该方法的有效性。

1 建立复合材料层合板结构有限元模型

1.1 获得单层版性能数据

在ABAQUS中可以利用复合材料单层板的相互叠合来建立复合材料层合板的有限元模型，因此首先需要知道复合材料单层板的性能数据，单层板的力学性能数据可以通过单轴拉伸实验和纵横剪切实验得到[3]。实验所用材料为碳纤维双向编织预浸料，其牌号TENAX W-3161，可以将其等效为两层等厚度的单向纤维板正交铺设。实验件的规格、尺寸要求及纤维方向分别在图1、图2中定义。实验所得复合材料单层板的性能数据如表1所示，可以利用此数据在ABAQUS创建Lamina材料模型并进而创建层合板模型。

1.2 建立层合板模型及后处理

这样，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模块建立复合材料层合板模型。对于每个铺层，可选择铺层应用的区域、使用的材料、铺层的铺设角度以及厚度等，在ABAQUS中可以通过查询命令展示每层的铺层情况。其中需要注意的是在定义材料属性时，应注意材料的方向性，即单元的材料方向应与纤维的纵向一致。

定义好有限元模型后，提交作业，生成结果文件，将结果文件与模型连接。在ABAQUS中，对复合材料层合板进行强度校核需要输出单元应力（Element Stressess）和单元应变（Element Strain）的结果。用户可根据这些结果对复合材料层合板进行强度分析。

2 验证

为了验证复合材料有限元模型的准确性，建立一个与试验件相同的平板型复合材料层合板有限元模型，并计算出最大载荷情况下的应力值与应变值，通过该值与实验结果进行对比，以验证该方法的有效性。试验件尺寸依然按图2进行要求，层合板由TENAX“W-3161”碳纤维编织布混合铺层组成，分别利用实验方法和ABAQUS建模进行计算。然后对实验结果和有限元计算结果进行比较，计算出二者的误差。限于篇幅，该文只列出第一层纵向应力、横向应力、纵向应变、横向应变，如表2所示。

从实验数据和ABAQUS分析结果的比较中可以看出，两者的误差是比较小的，是在可以接受的范围内的，因此利用ABAQUS/CAE来分析复合材料层合板结构是可行的，并且是能够得到较为准确结果的。

3 结语

该文描述了复合材料层合板结构的特点，阐述了利用ABAQUS中的PIYUP模块建立复合材料层合板结构有限元模型的方法和步骤，并在此基础上对有限元模型进行了后处理分析，最后通过一组有限元算例与真实的实验数据进行比较验证了该方法的准确性。因此该文得出这样的结论：利用ABAQUS的复合材料模块能够对复合材料层合板结构进行有效并准确的分析。

参考文献

[1] 张博平.复合材料结构力学[M].陕西：西北工业大学出版社，2012.

[2] 陈众迎.T300/AG80复合材料层合板力学性能的测试与分析[D].北京：北京工业大学，2010.

[3] 王耀先.复合材料力学与结构设计[D].上海：华东工业大学出版社，2012.endprint

摘 要：描述复合材料编织纤维层合板结构的特点，提出了一种利用ABAQUS软件建立复合材料编织纤维层合板结构有限元模型来模拟实验结果的方法与步骤，简单阐述了后处理方法，并通过一组有限元计算实例与实验数据进行的比较验证该方法的准确性。

关键词：复合材料 碳纤维编织布 层合板结构 有限元

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0087-02

先进复合材料是一种由起增强作用的纤维材料和起粘合作用的基体材料经适当工艺复合而成的新型材料。它具有比强度大、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定以及制造维修方便等优点，因此广泛应用于航空航天等领域[1]。

虽然复合材料有诸多优点，但是其与金属材料完全不同的力学性能又给设计设计人员带来很多困难，传统的方法是使用复合材料力学理论进行分析计算，然而这种方法较为复杂且效率低下，可重复使用性差；通过实验的方法虽能得到准确的性能数据，但无疑会加大研发的成本而且现实中也无法对所有的结构进行实验；应用有限元分析软件中的与复合材料相关的模块可以建立复合材料数据库和复合材料零部件模型，高效准确地进行复合材料有限元分析，得到与实验结果较为接近的数据[2]。

对于大量使用的复合材料层合板，ABAQUS引入专门用于复合材料的设计模块PLYUP建立复合材料层合板，使其建模与有限元分析变得简单。该文利用ABAQUS建立通用飞机用典型复合材料层合板结构模型的方法，并对其进行有限元分析，最后通过与实验数据的对比来验证该方法的有效性。

1 建立复合材料层合板结构有限元模型

1.1 获得单层版性能数据

在ABAQUS中可以利用复合材料单层板的相互叠合来建立复合材料层合板的有限元模型，因此首先需要知道复合材料单层板的性能数据，单层板的力学性能数据可以通过单轴拉伸实验和纵横剪切实验得到[3]。实验所用材料为碳纤维双向编织预浸料，其牌号TENAX W-3161，可以将其等效为两层等厚度的单向纤维板正交铺设。实验件的规格、尺寸要求及纤维方向分别在图1、图2中定义。实验所得复合材料单层板的性能数据如表1所示，可以利用此数据在ABAQUS创建Lamina材料模型并进而创建层合板模型。

1.2 建立层合板模型及后处理

这样，利用ABAQUS/CAE中的PLYUP模块建立复合材料层合板模型。对于每个铺层，可选择铺层应用的区域、使用的材料、铺层的铺设角度以及厚度等，在ABAQUS中可以通过查询命令展示每层的铺层情况。其中需要注意的是在定义材料属性时，应注意材料的方向性，即单元的材料方向应与纤维的纵向一致。

定义好有限元模型后，提交作业，生成结果文件，将结果文件与模型连接。在ABAQUS中，对复合材料层合板进行强度校核需要输出单元应力（Element Stressess）和单元应变（Element Strain）的结果。用户可根据这些结果对复合材料层合板进行强度分析。

2 验证

为了验证复合材料有限元模型的准确性，建立一个与试验件相同的平板型复合材料层合板有限元模型，并计算出最大载荷情况下的应力值与应变值，通过该值与实验结果进行对比，以验证该方法的有效性。试验件尺寸依然按图2进行要求，层合板由TENAX“W-3161”碳纤维编织布混合铺层组成，分别利用实验方法和ABAQUS建模进行计算。然后对实验结果和有限元计算结果进行比较，计算出二者的误差。限于篇幅，该文只列出第一层纵向应力、横向应力、纵向应变、横向应变，如表2所示。

从实验数据和ABAQUS分析结果的比较中可以看出，两者的误差是比较小的，是在可以接受的范围内的，因此利用ABAQUS/CAE来分析复合材料层合板结构是可行的，并且是能够得到较为准确结果的。

3 结语

该文描述了复合材料层合板结构的特点，阐述了利用ABAQUS中的PIYUP模块建立复合材料层合板结构有限元模型的方法和步骤，并在此基础上对有限元模型进行了后处理分析，最后通过一组有限元算例与真实的实验数据进行比较验证了该方法的准确性。因此该文得出这样的结论：利用ABAQUS的复合材料模块能够对复合材料层合板结构进行有效并准确的分析。

参考文献

[1] 张博平.复合材料结构力学[M].陕西：西北工业大学出版社，2012.

[2] 陈众迎.T300/AG80复合材料层合板力学性能的测试与分析[D].北京：北京工业大学，2010.

[3] 王耀先.复合材料力学与结构设计[D].上海：华东工业大学出版社，2012.endprint