复合材料的abaqus建模
abaqus复合材料
Abaqus：ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。
ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。
并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。
功能：静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟海洋工程结构分析：对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟水下冲击分析：对冲击载荷作用下的水下结构进行分析柔体多体动力学分析：对机构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑机构运动中的接触和摩擦疲劳分析：根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估设计灵敏度分析：对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计软件除具有上述常规和特殊的分析功能外，在材料模型，单元，载荷、约束及连接等方面也功能强大并各具特点：材料模型：定义了多种材料本构关系及失效准则模型，包括：弹性：线弹性，可以定义材料的模量、泊松比等弹性特性正交各向异性，具有多种典型失效理论，用于复合材料结构分析多孔结构弹性，用于模拟土壤和可挤压泡沫的弹性行为亚弹性，可以考虑应变对模量的影响超弹性，可以模拟橡胶类材料的大应变影响粘弹性，时域和频域的粘弹性材料模型塑性：金属塑性，符合Mises屈服准则的各向同性和遵循Hill准则的各向异性塑性模型铸铁塑性，拉伸为Rankine屈服准则，压缩为Mises屈服准则蠕变，考虑时间硬化和应变硬化定律的各向同性和各向异性蠕变模型扩展的Druker-Prager模型，适合于沙土等粒状材料的不相关流动的模拟Capped Drucker-Prager模型，适合于地质、隧道挖掘等领域Cam-Clay模型，适合于粘土类土壤材料的模拟Mohr-Coulomb模型，这种模型与Capped Druker-Prager 模型类似，但可以考虑不光滑小表面情况泡沫材料模型，可以模拟高度挤压材料，可应用于消费品包装、及车辆安全装置等领域混凝土材料模型，这种模型包含了混凝土弹塑性破坏理论渗透性材料模型，提供了依赖于孔隙比率、饱和度和流速的各向同性和各向异性材料的渗透性模型。
Abaqus随机短纤维增强复合材料建模插件
Abaqus随机短纤维增强复合材料建模插件文末附Abaqus随机短纤维增强复合材料建模插件下载链接前言短纤维增强复合材料相对于长纤维增强复合材料来说更容易制备，且短纤维的填充性能略有改善，可制造复杂产品，广泛应用于车辆、航空航天、建筑等行业，对短纤维增强复合材料进行细观力学分析，可对其宏观力学性能进行预测、分析破坏机理等。
接下来对随机短纤维增强复合材料建模插件进行介绍。
NO.1 【算法简介】难点一：此插件核心在于判断生成的纤维是否相交，因此选用解析几何法对随机生成的纤维是否与已经生成的纤维进行相交判断，计算出纤维轴线与其他纤维轴线之间的距离，与纤维直径进行比较，距离小于直径则判断为相交，难点在于：纤维是有限长度，转化为数学模型即为线段之间的最小距离大于二倍纤维半径，因此应将判断分为多种情况：①直线之间最短距离为线段之间最短距离；②线段之间最短距离大于直线之间最短距离，最短距离可能为点到直线距离、点到点距离、线到线的距离，但是需要判断具体是哪种情况，由此进行判断纤维是否相交，若只考虑直线之间的最短距离，生成的模型纤维体积含量会很低难点二：对于生成给定纤维体积含量的模型，若直接生成足够纤维数量的模型，可能会导致纤维体积含量高或低，与预期纤维体积含量有误差；因此采用不断逼近的方法，即先生成由体积含量计算的纤维数量，由于纤维还需进行切割，因此此时的纤维体积含量肯定小于预期的纤维体积含量，接下来对此时纤维体积含量与预期纤维体积含量进行比较，若此时纤维体积含量与预期纤维体积含量之差乘试样总体积大于一个纤维体积，则继续生成纤维，若此时纤维体积含量与预期纤维体积含量之差乘试样总体积不足以生成一根纤维，则停止生成。
此方法可生成与纤维体积含量极其接近的模型对于长方体长40mm，宽10mm，高15mm，纤维长度5mm，纤维直径1mm，体积含量5%进行实验得出，纤维体积为：298.82，基体体积为5701.24，总体积为6000.06，纤维体积含量为4.98%，误差极小。
ABAQUS中Cohesive单元建模方法
ABAQUS中Cohesive单元建模方法复合材料模型建模与分析1、Coheive单元建模方法1、1几何模型使用内聚力模型（coheivezone）模拟裂纹的产生和扩展，需要在预计产生裂纹的区域加入coheive层。
建立coheive层的方法主要有：方法一、建立完整的结构（如图1（a）所示），然后在上面切割出一个薄层来模拟coheive单元，用这种方法建立的coheive单元与其他单元公用节点，并以此传递力和位移。
方法二、分别建立coheive层和其他结构部件的实体模型，通过“tie”绑定约束，使得coheive单元两侧的单元位移和应力协调，如图1（b）所示。
（a）coheive单元与其他单元公用节点（b）独立的网格通过“tie”绑定图1、建模方法上述两种方法都可以用来模拟复合材料的分层失效，第一种方法划分网格比较复杂；第二种方法赋材料属性简单，划分网格也方便，但是装配及“tie”很繁琐；因此在实际建模中我们应根据实际结构选取较简单的方法。
1、2材料属性应用coheive单元模拟复合材料失效，包括两种模型：一种是基于traction-eparation描述；另一种是基于连续体描述。
其中基于traction-eparation描述的方法应用更加广泛。
而在基于traction-eparation描述的方法中，最常用的本构模型为图2所示的双线性本构模型。
它给出了材料达到强度极限前的线弹性段和材料达到强度极限后的刚度线性降低软化阶段。
注意图中纵坐标为应力，而横坐标为位移，因此线弹性段的斜率代表的实际是coheive单元的刚度。
曲线下的面积即为材料断裂时的能量释放率。
因此在定义coheive的力学性能时，实际就是要确定上述本构模型的具体形状：包括刚度、极限强度、以及临界断裂能量释放率，或者最终失效时单元的位移。
常用的定义方法是给定上述参数中的前三项，也就确定了coheive的本构模型。
Coheive单元可理解为一种准二维单元，可以将它看作被一个厚度隔开的两个面，这两个面分别和其他实体单元连接。
(完整版)ABAQUS中Cohesive单元建模方法讲解
复合材料模型建模与分析1. Cohesive单元建模方法1。
1 几何模型使用内聚力模型(cohesive zone）模拟裂纹的产生和扩展，需要在预计产生裂纹的区域加入cohesive 层。
建立cohesive层的方法主要有：方法一、建立完整的结构（如图1（a)所示）,然后在上面切割出一个薄层来模拟cohesive单元，用这种方法建立的cohesive单元与其他单元公用节点,并以此传递力和位移.方法二、分别建立cohesive层和其他结构部件的实体模型，通过“tie”绑定约束,使得cohesive单元两侧的单元位移和应力协调，如图1（b)所示。
（a）cohesive单元与其他单元公用节点 (b）独立的网格通过“tie"绑定图1.建模方法上述两种方法都可以用来模拟复合材料的分层失效，第一种方法划分网格比较复杂；第二种方法赋材料属性简单，划分网格也方便，但是装配及“tie"很繁琐;因此在实际建模中我们应根据实际结构选取较简单的方法。
1.2 材料属性应用cohesive单元模拟复合材料失效，包括两种模型：一种是基于traction-separation描述；另一种是基于连续体描述。
其中基于traction-separation描述的方法应用更加广泛.而在基于traction—separation描述的方法中，最常用的本构模型为图2所示的双线性本构模型。
它给出了材料达到强度极限前的线弹性段和材料达到强度极限后的刚度线性降低软化阶段. 注意图中纵坐标为应力，而横坐标为位移,因此线弹性段的斜率代表的实际是cohesive单元的刚度。
曲线下的面积即为材料断裂时的能量释放率。
因此在定义cohesive的力学性能时,实际就是要确定上述本构模型的具体形状：包括刚度、极限强度、以及临界断裂能量释放率,或者最终失效时单元的位移。
常用的定义方法是给定上述参数中的前三项，也就确定了cohesive的本构模型。
基于PythonAbaqus复合材料代表性体积元的数值模型
基于PythonAbaqus复合材料代表性体积元的数值模型一、本文概述随着复合材料在工程领域中的广泛应用，对其性能预测和优化的需求也日益增长。
复合材料由多种不同性质的组分材料组成，其性能不仅取决于各组分的性质，更与组分之间的相互作用和排布方式密切相关。
因此，建立能够准确反映复合材料宏观性能的数值模型，对于理解其力学行为、预测其性能表现以及优化其设计具有重要意义。
本文旨在探讨基于Python和Abaqus的复合材料代表性体积元（Representative Volume Element, RVE）数值模型的建立与应用。
我们将介绍复合材料RVE模型的基本原理和重要性，阐述其在复合材料性能预测中的关键作用。
接着，我们将详细介绍如何使用Python 编程语言和Abaqus有限元分析软件，构建复合材料的RVE模型。
在这一过程中，我们将涵盖模型建立的关键步骤，包括材料属性的定义、几何模型的建立、边界条件的设置以及求解过程的实现。
本文还将探讨如何对建立的RVE模型进行验证和校准，以确保其能够准确反映复合材料的实际性能。
我们将介绍一些常用的验证方法和技术，包括与实验结果的对比、模型预测精度的评估等。
我们将通过一些具体的案例，展示基于Python和Abaqus的复合材料RVE模型在预测复合材料性能、分析材料失效模式以及优化材料设计等方面的实际应用。
本文旨在为从事复合材料研究的学者和工程师提供一个有效的数值建模工具和方法，以帮助他们更好地理解和预测复合材料的力学行为，优化材料设计，推动复合材料在工程领域的应用和发展。
二、复合材料基础知识复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观尺度上组成具有新性能的材料。
这种材料在保持各组成材料主要特点的基础上，通过复合效应获得单一材料难以达到的综合性能，如更高的强度、更好的刚度、更低的密度、更高的耐温性能、更好的电磁性能等。
复合材料的性能不仅与组成材料的性能有关，而且与各组分材料的含量、分布、界面结合状态以及复合工艺等因素密切相关。
Abaqus复合材料
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嵌入单元
• Rebar加强的膜单元和表面单元可以以任意方式嵌入到实体单元中来模拟 复合材料
嵌入的膜单元
rebar
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实体单元
6
Abaqus复合材料主要功能
*CONTACT PAIR, INTERACTION=FRACTURE, ADJUST=Nsetbond Slave--Slave surface name Master--Master surface name
*SURFACE INTERACTION, NAME=FRACTURE, UCRACK, DEPVAR=12, PROPERTIES=16 , G_IC,G_IIC,G_IIIC,mixType,m,n,o w,
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IanIlotnentregfarpfcaleacnEeeleeomfleedmnetlsaemnloticnsaalttoeiodcnated along plane of delamination
11
VCCT-for-Abaqus Usage and Keywords
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复合材料的后处理功能
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8
复合材料的后处理功能
• 可以显示复合材料厚度方向上变量 的变化曲线
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CATIA CPD接口
• Simulayt可以作为Abaqus/CAE的中模块，将CATIA CPD中设计的复合 材料模型以及铺层导入
Abaqus复合材料
•
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Virtual Crack Closure Technique (VCCT)
• VCCT • Has been used manually in the aerospace industry for many years • Based on Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) concepts • Based on computing the energy release rates for normal and shear crack-tip deformation modes • Compare energy release rates to interlaminar fracture toughness
= 1 for B-K (2D shown): mixType
GIIC GIC + (GIIC − GIC ) G +G II I
m n
o
m
= 2 for Power law:
GI GII GIII + + G IC GIIC GIIIC
Solid Mesh
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实体壳单元
• 实体壳单元是三维应力/位移单元，它的响应同壳类似，但是具有实体的拓扑 • 单元 – SC6R，SC8R • 属性定义 – *SHELL SECTION, COMPOSITE，STACKING DIRECTION={1|2|3|orientation} • 材料定义 – *ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC, TYPE=LAMINA
Abaqus针对复合材料优势
四 Abaqus 在复合资料领域的优势4.1 复合资料介绍4.1.1 复合资料的应用复合资料有很多特征：1、制造工艺简单2、比强度高，比刚度大3、拥有灵巧的可设计性4、耐腐化，对疲惫不敏感5、热稳固性能、高温性能好因为复合资料的上述长处，在航空航天、汽车、船舶等领域，都有宽泛的应用。
复合资料的大批应用对剖析技术提出新的挑战。
4.1.2 复合资料的构造复合资料是一种起码由两种资料混淆而成的宏观资料，此中的一种资料被称作基体，其余的资料称作纤维。
此中纤维能够包含好多不一样的形式：失散的宏观粒子，随意方向的短纤维，规则摆列的纤维和织物。
4.1.3 典型的复合资料1)单向纤维层合板 ----冲击剖析2)编织复合资料 ---- 挤压剖析3)蜂窝夹心复合资料 ----不行见冲击损害剖析基体和纤维的存在形式以及资料属性关于复合资料的力学行为有着很大的影响。
改变纤维和基体的属性目的就是在于生成一种复合资料拥有以下性质：1）低成本：原型，大规模生产，零件归并，维修，技术成熟。
2）希望的重量：轻重量，比重分派合理。
3）改良的强度和刚度：高强度/高刚度比。
4）改良的表面属性：优秀的耐腐化性，表面抛光性好。
5）希望的热属性：较低的热传导性，热膨胀系数较低。
6）独到的电属性：拥有较高的绝缘强度，无磁性。
7）空间适应性：大零件，特别的几何构型。
4.1.4 复合资料的有限元模拟依据不一样的剖析目的，能够采纳不一样的复合资料模拟技术：1）微观模拟：将纤维和基体都分别模拟为可变形连续体。
2）宏观模拟：将复合资料模拟为一个正交各向异性体或是完整各向异性体。
3）混淆模拟：将复合资料模拟为一系列失散、可见的纤维层合板。
4）失散纤维模拟：采纳失散单元或是其余模拟工具进行模拟。
5）子模型模拟：关于研究增强纤维四周点的应力集中问题比较有效。
微观模拟：纤维 -基体的单胞模拟混淆模拟：层合板的混淆模拟Abaqus 中复合资料的单元技术Abaqus 中复合资料的单元技术主要为三种：分层壳单元、分层实体单元以及实体壳单元。
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复 合 材 料 建 模 的 三 种 常 用 模 型
1、 微观模型：把基体和增强材料 都作为连续的可变性体进行独立 建模，通常在仿真中用到较少。
2、 宏观模型：把复合材料当成单 个的正交各相异性材料或者完全 当成各向异性材料。 3、混合模型：把复合材料等效成几 部分，从宏观上建增强层。这种建 模方式在仿真中应用最多。
6、宏观建模时通常用于研究结构失效（屈服），不 考虑材料失效（分层、脱粘）。 7、宏观模型计算量较小，相对来说比较简单，适用于 分析较简单的问题。
混合模型
在混合建模时可以把复合材料分成若干层每一层的材料 属性都为各向异性，也可以把复合材料建成连续的几层。复 合材料在混合建模时又可以选择不同的单元如：层和壳单元、 连续壳单元、连续薄壳网格单元以及连续实体单元。在仿真 时应了解每种单元的优缺点根据实际问题选择最佳方案，以 求仿真结果的准确性。
2、连续实体单元
1、 复合材料用实体单元仿真时仅限于用立体的六面体单元，这种单元只有 位移上的自由度。 2、连续实体单元大都用于简单的复合材料建模或者作为辅助单元和连续壳 单元一起应用于复合材料的建模。 3、但在下列情况时必须要采用连续实体单元建模：横向剪切应力占主导作 用时、不能忽略正应力时以及需要精确的层间应力时。
1、对复合材料进行宏观建模时要把复合材料当成单 一的正交各向异性材料或者当作各向异性材料。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
宏 观 建 模 的 介 绍
2、复合材料通常被认为是弹性的 3、各向异性塑性模型通常用来仿真复合材料的非弹 性变形 4、它的形变场是均匀的
5、宏观建模是用来模拟复合材料的整体行为以此 建模时材料的非线性以及局部失效都不被考虑进去
在定义复合材料的属性时有三个方向需要注意：
1、Layup orientation
2、Ply orientation 3、Additional rotation
独立的网格部件可以利用节点偏移生成一层或者几层实体单元，实体 单元衍生的方向是沿着部件的法线方向。 对实体部件进行优化 并将其转变成薄壳 画网格并将其 变成网格部件
面3
SC6R
SC8R
六节点三角形单元和八节点六面体单元它们在堆积（厚度）方向的运动响应 有所不同。再用SC8R时它的堆积方向有限元软件容易混淆，所以要定义清楚
而对SC6R单元它的每一个面都可以当成底面。 应用连续壳单元时的局限性： 1、建模时若采用连续壳单元则不能用于分析超弹性材料。 2、在分析同一个问题时连续壳单元和传统壳单元相比 增量步会明显增加。对于很薄的壳，在计算分析时 很难达到收敛。
利用节点偏移 产生实体单元
给网格赋属性
利用独立网格部件建模：
连续壳单元建模实例：
1、 连续壳单元
连续壳单元适用于较薄的结构，在线弹性范围内和非线弹性范围内均 可适用，它的分析结果比传统壳单元更加准确。
传统壳单元
位移和角度方向都 不受约束
被建模的物体
连续壳单元
仅位移方向不受约束
在abaqus中连续壳单元的拓扑结构包括两种：
面5 面2 面2 面5
面6
面4 面4 面1 面3 面1