Abaqus复合材料壳单元常规建模详解step-by-step
采用商业有限元软件Abaqus进行复合材料结构建模时，一般有两种建模方法：常规建模方法和Composite layup快速建模方法，主要差异在创建属性、赋属性和指定铺层坐标系方面，常规建模方法和一般商业软件类似，将创建材料、创建属性、赋属性和指定铺层坐标系四个步骤分离，通用性较强，尤其是对于包含UMAT/VUMAT子程序开发的复合材料分析模型或者是三维实体单元显式动力学分析模型，仅支持该类建模方法；Composite layup快速建模方法将创建属性、赋属性和指定铺层坐标系三部分内容集成在一起，可一次性完成设置，效率较高。本文先从最基本的常规建模方法讲起。一般对于大尺寸复合材料结构，跨厚度比例大，满足板壳理论的假设，采用壳单元就能获得高的求解精度。壳单元计算效率高，结合二维损伤起始判据判据（Hashin, Tsai-W, Maxe, Maxs等）可以预测结构的危险区域和危险程度，另外，Abaqus自身还内嵌了二维Hashin的渐进损伤分析模型，采用Hashin失效判据去判断损伤起始，损伤起始以后采用基于能量演化的连续退化准则对材料刚度进行退化。Abaqus中常用的壳单元类型有S4、S4R、S8R等。以下介绍复合材料开孔板壳单元模型的建模步骤。第1步：绘制几何在Part模块下绘制几何，几何类型为3D-Deformable- Shell，草图如下：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHO2ch9vKQKCMAMM8wibia5AAXsQO4bLClt9Lz2skIHwVsEeia6zz79W8sA/640?wx_fmt=png绘制完草图后，退出草图，得到开孔板的几何模型，如下：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHjkF5yCvwW9LQEV5OMZicPBekVdcz8MNbXxbrOiaGCz6iaHgbqxj0gWDmQ/640?wx_fmt=png第2步：创建材料与复合材料壳单元对应的是2D材料模型Lamina，将视图切换至Property模块，点击创建材料按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHHdG9ibbib7NJqnmSt1vbCGTdwFM3jw9zenv1Q5d4k5Lop6YROxSbmrFw/640?wx_fmt=png，在跳出窗口中选择Mechanical→Elasticity→Elastic选项，在材料类型下拉框中选择Lamina，如下图所示。表格中的6个数据分别为纵向（沿纤维方向）弹性模量、横向（垂直于纤维方向）弹性模量、面内泊松比以及三个方向的剪切模量。与其他商业有限元软件不同的是，即使是对于二维材料模型，仍然需要输入面外的剪切模量G13和G23，这两项数据是用于定义壳的横向剪切行为。一个复合材料分析模型中可以包含多种材料模型，例如不同的铺层采用不同的材料。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH7VBK9aSyewxYdJ0zWC9uXdWbYVeHmEgTluTvbnWeMdKdhkjUnNFFQw/640?wx_fmt=png第3步：创建截面属性点击创建属性按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH0eTqVBHiaEKibMAgfCTbHAdxfCvR0CVOMewjoICHRVOJRhNtcPib5nG6A/640?wx_fmt=png，选择Shell→Composite类型，如下图所示。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHicTCXmxC2E9ictJ3X2pqU4Bb5wIb7icQyiarsGXcuLgqy5VtibN5bWmKwMA/640?wx_fmt=png点击“Continue”，进入属性设置界面。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHHjjz1EXhIGaC7szO3HZlaZDKOu2vyyJfUaBbIy2j1z2LvpfposBZicQ/640?wx_fmt=png该界面中首选要定义的是截面属性积分方式，有两种积分方式：During analysis和Before analysis，默认的是第一种。During analysis积分方式会在计算过程中，每个增量步重新计算截面属性，计算量较大，准确度高，当材料有明显非线性（塑性、损伤后刚度退化等）时，建议使用During analysis；Before analysis是在计算之前对截面属性进行预积分，分析过程中截面属性不再变化，计算量小。该界面中第二个要定义的就是铺层信息表，共5列，分别是铺层材料、铺层绝对厚度、铺层角度、单层积分点数量、铺层名称。表格行数根据实际铺层数来定义。当结构中不同区域有不同的铺层材料或者铺层顺序时，可以创建多个截面属性。第4步：赋属性点击赋属性按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHltdps7bNu6WyqaQOnibmOavknhrBa3BTXZqXFLedot6CfyvDMyNpLbA/640?wx_fmt=png，按照主窗口下方提示区的提示信息去选择要赋予属性的区域，当有多个不同的铺层区域时，分别选择对应的截面属性逐个设置。当几何结构被赋予属性时，颜色会由默认的灰色变成绿色，如下图所示。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHKrzn2hCfvM7MfzOG9cobOOOvaNfOic54bDichia1xnU6SR9Z16lXb0OEg/640?wx_fmt=png第5步：指定铺层坐标系复合材料分析模型与金属结构分析模型不同，由于材料具有各向异性，因此还需要额外指定铺层的坐标系。点击创建坐标系按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHlTCTC3we4aC2ZqeROlhRYgBRhtzW2iaa9jia7FiaHDMtEzTaAkyXQabJA/640?wx_fmt=png，有三种坐标系可以选择：直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系。可根据自己的结构特征选择合适的坐标系，针对本模型，选择直角坐标系，然后指定坐标原点、X轴方向以及XY平面即可。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH8Bt3YkZlnVFeibmeqv0iayG11gTIvzpBicSDFCUcyS9MepbzYia5NvfmiaQ/640?wx_fmt=png坐标系创建完成以后，点击指定材料方位按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH7dOa3K40oemJMdzWBUJsU0fJibw60dDeOeN4HPsEFUiacdAlCSmcYMtQ/640?wx_fmt=png，然后选择创建好的坐标系，并指定法向方向和附加的旋转角度，一般壳单元默认设置即可，在设定材料方位时，视图中几何模型上会显示相应的局部坐标系，可以将Additional Rotation附件旋转角度在0°、45°、90°及-45°之间不断切换来检查模型坐标系设置的对错与否。（注：在Abaqus复合材料分析中，一般有总体坐标系、铺层坐标系、材料坐标系以及断面坐标系等，将在后续文章中做深入讲解）。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHz5tppTbIVLib0SmE9cejlojoapw3eMvJFPdYibzoSMkvviaOicbR25yOaA/640?wx_fmt=pnghttps://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH2nwRBJXzWJ41tcOA0UBmCpcOEPvbUgJFH1U5ib9gLNEv1VUibV9eSLFQ/640?wx_fmt=png第6步：创建装配将视图切换到Assembly模块，点击创建实例按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHCiaydV4SRxrpmHsOkBYS9qZUtibT2PAe02pKjEqO8n8jUW1vib9ZdQKsA/640?wx_fmt=png，进入以下界面：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHUHosIKLHu0As39ww5S1mOianYLia2ibZmzVQcoJxIicW6gbfkWey0RKzibA/640?wx_fmt=pnghttps://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH79LERy3XUG6BcvDicqULqTiavVmuXaQ20CcgRABiaVhB6pRdZyz88FGng/640?wx_fmt=png创建实例有两种方式，一种是基于自身模型的Part创建，一种是基于其他模型创建，会将所选择的模型中的实例导入到当前模型下。创建完实例之后，视图中会出现蓝色装配体。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHn4yU4LSXvlDO1TbibI9xqQgKwjg0iaBOTBF0VXP7VEzQIictk2jyWIlkg/640?wx_fmt=png第7步：划分网格将视图切换到Mesh模块，进行网格划分，一般建议创建完几何之后，优先划分网格再去设置边界、载荷、接触等信息，对于复杂结构，在网格划分过程中需要对结构进行切分，切分会破坏原始构型，导致先前设置的边界、载荷、接触等信息丢失，造成工作反复，因此将划分网格这一步提前。首先是设置网格密度，共有两个按钮，https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHsPSzQyv9tIv4D9Uk7JfujZXDltloC1ibI1hrbJyKKU3UehQiaupnR2TA/640?wx_fmt=png，左侧的为全局网格密度设置，右侧为局部网格密度设置，可以对特别的边线或者面设置不同的网格密度.在设置网格时，如果出现以下提示，是因为创建实例时选择了Dependent类型，此类实例仅能在零件下划分网格或设置网格属性。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHRpjzrDicDuLPDeiaSOBohWGICmpJOtN9gpWvG35Eiace6HjDvm7O4CUYw/640?wx_fmt=png解决办法是将网格划分的对象由Assembly切换到Part，如下图所示。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHazdsLf1nDuVvhsHFa4CKicngiaOXqC8lic2dedUr7dhe6pcYCPmltopjg/640?wx_fmt=png在全局网格密度设置界面下设定近似全局网格尺寸为2mm，其他默认设置。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHmgkUWjruFedRfOzNPtKiaGZTBZeEkU9FQE7Juibd5xvKVVntAxKBw99g/640?wx_fmt=png然后点击网格划分按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHlKibiabqN4Bia5WYr3HyODuNJsu3kuXmQGjt8M4ZH0swF2dgYibrdV7ayQ/640?wx_fmt=png去划分网格，划分网格以后视图如下：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH0MfOh1yK2KvEjoc1mscv7X0qd95O9sX8vcIbGd0Ria50FxtrYyYmmcQ/640?wx_fmt=png可以通过网格控制按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHftiawZicGCGSVKe5xl3Xx7f0wxs0afIQQzMgic8pVfz1Bzic2Cc15gA94w/640?wx_fmt=png来设置单元形状和网格生成算法，https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH8HQ05rJWJvlzKvRleov0Q6yszuxYnp7ia40OnHWLvHERlXNT78Nliabg/640?wx_fmt=png还可以通过单元类型设置按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHiaHiaNoicpdib994Pic9mofvKmW1iaIlIFUdmO36RzEeibUO90mHK7aV9sGBQ/640?wx_fmt=png设置单元类型，默认的是四节点减缩积分单元S4R。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHyBRJPR4Nl90364PYaORg5M0M2DcKkmW6qBFzC7T0HVF0pd9D9yrpWA/640?wx_fmt=png第8步：设置分析步将视图切换至Step模块，点击按钮https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHXOxTk83ic7k9q9icyf1iaeT6iaibjrL5hsVSNAUZnt7haJDj3z7hbibpjwxw/640?wx_fmt=png创建分析步，常用的分析步类型有Static,General和Dynamic,Expicit两种，本案例选择Static,General类型，创建一个静力分析步。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH6vTWldLTjFib8F5evRibtLNicBzibOdhoWxr09S5ZGxy2lRS6NNDyzWgBA/640?wx_fmt=pnghttps://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHk80daT2gwRMkqLGDuGRL7fDgbbtmXnC23mThldZd8fVqm6LNV9UurA/640?wx_fmt=png分析步总时间默认为1秒，增量设置可以按下图进行修改。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHbQrKFQBcKeJlF95WS55qIibh746GxrV0oJu15iaBWe6dL2enibBSHNaYA/640?wx_fmt=pnghttps://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHicK04uZnxEhS5Y86gSO5YyORWyqWEvicYnVrCwKj7KcovZ3lmumic9YFQ/640?wx_fmt=png第9步：设置输出Abaqus中的输出有两类，场输出和历史输出，场输出适合针对大量的对象进行低频次输出（如查案应力、应变及变形云图），历史输出适合针对少量的对象进行高频次输出（如监控系统能量或者绘制载荷位移曲线）另外需要注意的是，复合材料结构在设置场输出变量时与各向同性材料也有不同，默认针对复合材料结构，场输出至输出上下表层，不会输出中间层，因此需要进行特殊设置。如下图所示，在Output at layered section points中应输入所有的截面点编号，比如壳单元有四层铺层，每一层有3个截面点，则一共需要输入12个截面点才能保证后处理中能查看所有铺层的场变量数据。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTH5dCliakGEd4E0S4544gGjgKNpib6XLWtwicWhYSvPo7nNTxK2u62l9wzw/640?wx_fmt=png第10步：设置边界和载荷视图切换到Load模块，设置边界条件和载荷。与常规各向同性材料模型一样，一端设置固支，一端给定拉伸位移1mm，此处略去。需要注意的是，边界和载荷在整个建模过程中属于最不起眼、最容易被忽视的步骤，但同时也是对计算结果影响最大的因素之一，万不可小觑。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHfKpCObR80mNkMRAibPicicibC3dcp2dWM2K8v5oqoEduyicL40NCh8Sia9WA/640?wx_fmt=png第11步：创建任务切换到Job模块，创建任务，提交计算。与传统模型无异，此处略去。第12步：查看结果计算完成后，在Job模块下点击Results按钮，可直接打开结果文件并跳转至后处理界面。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHPBE5AKIjVUptlPOd45rBXlBb8LcCRKKn0Q0fyIThx4pZ5ic82Z5HmwQ/640?wx_fmt=png查看应力时，默认显示的是第一层应力水平。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHTiat1fdW1ebSSNBDGGqMBTq3WTvlAzTTdWKeibffK9lpc9pnEj4BMdNA/640?wx_fmt=png当需要查看每一层应力水平时，点击菜单Result→Section Points，如下图所示，切换至Plies选项，将会出现在截面属性中定义的所有铺层，每一层的输出位置又分为上中下三个位置，如下图所示。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHR54wkMDV31Ede09dl4CpJj1uF3a9daAYzJCntEZBObsrxSrricQkFVQ/640?wx_fmt=pnghttps://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHaFEFhu35r3zjwibe2CzEkUJPBiaTIB8icwibCvBxbXpSuoZKzM36PicYM1g/640?wx_fmt=png第1层应力水平https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/4XyibPMYcpthR7sH5AMrvxqugexkkzCTHD3zlyCXlRNpmR0icIcrJBcz2cNxFC1U8NhSD2AqOnnu5G91ze6UE5pg/640?wx_fmt=png第2层应力水平【完结】欢迎关注“复合材料力学”微信公众平台
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