CAE软件操作小百科

刘思奇

1 Abaqus中的复合结构及其建模方法有哪些？

Abaqus提供多种途径对复合结构进行建模。根据复合材料的种类、对应的数据信息、边界条件等因素选择合适的方法，最终可得到理想的结果。复合结构是由复合材料制成的，其中层状复合材料比较常见，主要包括纤维增强塑料、层合板和夹芯板等。复合材料被广泛应用于航空航天等领域。根据组分不同可对复合材料进行分类，主要有聚合物基复合材料（polymer matrix composite， PMC）、金屬基复合材料（metal matrix composite， MMC）、陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite， CMC）、碳和石墨基复合材料（carbon and graphite matrix composite， CGMC）等。

Abaqus软件可提供多种方法对复合结构进行模拟：

（1）微观上，基体和增强材料可采用单独的可变形连续体进行模拟。

（2）宏观上，基体和增强材料可采用整体的可变形连续体进行模拟。当单个纤维的微观行为和与基体的相互作用不重要时，这种方法效果较好。

（3）混合建模时，复合结构可采用单一正交各向异性材料进行模拟。当结构的整体行为比微观行为更重要时，可以采用这种方法，定义单个材料即可预测全局行为。

2 Abaqus模拟复合材料如何设置单元类型？

Abaqus建模的单元类型设置见图1。Abaqus共有3种单元类型可供选择：Conventional Shell单元、Continuum Shell单元和Solid单元。Conventional Shell为壳单元;Continuum Shell和Solid都是体单元，但Solid单元不能选择Lamina（复合材料）类型，只有Continuum Shell可以定义Lamina类型。

3 Abaqus复合材料层压板静力分析步骤有哪些？

复合材料层压板静力分析步骤如下。

（1）创建几何模型，见图2。

（2）创建Lamina材料，定义相关属性。

（3）创建复合材料铺层，使用part global定义铺层方向。

（4）打开Create Composite Layup并定义参考坐标系，点击Edit Composite Layup选择各铺层的Rotation Angle，可以在视图区显示该角度对应的铺层方向。

（5）创建分析步。

（6）编辑场输出变量。

（7）创建边界条件，矩形设置左侧固支。

（8）创建载荷。

（9）网格划分。

（10）选择单元类型，默认单元为S4R。

（11）创建分析作业并提交分析。

（12）可视化后处理。

4 Abaqus中如何使用Coordinate system定义铺层方向？如何定义复合材料堆叠？

Coordinate system定义铺层方向步骤如下。

（1）进入Part模块，创建直角坐标系。

（2）编辑复合材料铺层，在Edit Composite Layup对话框中定义铺层方向为Coordinate system，然后查看并确认各铺层方向。

（3）创建分析步并提交作业、可视化后处理。

软件操作中的小技巧有：选定某一列再点击编辑，即可让材料、厚度、实施区域保持一致;利用铺层的可复制性、对称性等特点可以简化操作;选定每行的铺层可以定位其方位，可通过数字1的方向校对其是否正确。

以层压板的顺序形成布置层，称为叠层或堆叠。正确的堆叠方向才能得到良好的计算结果及其云图。定义堆叠的方法主要有Element direction、Mesh control和Assign stack direction等。

5 Abaqus中复合材料的损伤准则有哪些？如何使用？

在Abaqus中利用实体壳单元模拟复合材料时，一般使用其自带的Hashin失效准则，此时建模方式有2种：一是Creat Composite Layup建模，需要在分析步中设置输出Sdeg Dmicrt Status，但不能在板厚度方向上选定特定区域施加力载荷，否则可能会无法定义侧向力;二是Creat Section建模，建立复合材料铺层时在mesh模块中选择Element Deletion，即可显示材料破坏情况。三维复合材料实体如果使用Hashin失效准则，那么需要对材料进行自定义。

TsaiWu张量准则也是复合材料失效准则之一，是建立在宏观力学基础上的宏观失效准则，因此将其作为断裂失效的标准有失偏颇，但是对复合材

料的结构设计很有参考价值。

Hashin失效准则是准细观失效准则，仅仅可以确定纤维和基体的方向，与复合材料真实的断裂失效有一定差距，而且Hashin失效准则只能用于壳单元，不能用于体单元。在实际对复合材料进行仿真时，不仅相关参数不易获得，而且精确度也难以保证，这与各向同性材料有明显区别。

若使用Hashin准则判断层合板是否失效，需要先建立层合板，主要有2种方法。

（1）Property module→Create Section方法。先Property module→Tools→Datum→Type→CSYS定义局部坐标系，再Property module→Assign→Material Orientation定义材料方向。Property module→Tools→Query→Materials Orientation可以查看材料方向。

（2）Property module→Create Composite Layup方法。该方法可以建立局部坐标系，也可以采用默认坐标系。Composite Layup创建层合板窗口见图3。

6 Abaqus在复合材料中的应用还有哪些？

Abaqus具有强大的计算功能，关于复合材料有很多专题可以进行研究，例如考虑刚度退化的层合结构建模分析、复合材料层合结构的自由振动分析、复合材料层合结构的动力响应分析、复合材料结构的低速冲击分析、基于python语言的复合材料加筋板参数化建模、复合材料结构的高速冲击分析（鸟撞）等。

（摘自同济大学郑百林教授《CAE操作技能与实践》课堂讲义）