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Abaqus复合材料建模：Composite Layup详解

创作时间:

作者:

@小白创作中心

Abaqus复合材料建模：Composite Layup详解

引用

来源

https://www.cnblogs.com/aksoam/p/18369061

Abaqus提供了三种复合材料建模途径：传统的material->section->orientation->step->job建模方式、Composite Layup建模方式和Composite Modeler (CM)插件建模方式。本文将重点介绍Composite Layup建模方式，包括其关键概念、输出结果获取、结果可视化以及三种不同类型的Composite Layup建模方式的比较。

1. Composite Layups and Orientations

复合材料建模最关键的点是确定铺层顺序(layup sequence)和铺层方向(layup orientation)。在Abaqus/CAE中，通过从三个相对的参数(layup orientation、ply orientation和额外的旋转)中导出纤维的方向，使复合铺层过程更易于管理。

1.1 Layup Orientation

layup orientation定义了layup中所有ply的基准方向(base orientation)。在 conventional and continuum shell layups,abaqus会将选择的Datums坐标系投影到shell单元面,使得layup orientation的stacking direction和shell的normal方向一致。默认情况下是,3方向和normal方向一致。

In solid composite layups, the orientation is not projected.

ABaqus定义layup orientation的方式有：

使用part global coordinate system
指定一个基准坐标系( Coordinate system)
使用Discrete orientation,可以为每个单元指定一个orientation
使用Discrete field,定义 orientation discrete field来指定空间变化的orienation
使用子程序ORIEN，但对EXPLICIT求解器无效

Normal direction: 指定哪个坐标轴为复材的3-方向,默认是axis-3.
additional rotation:如果使用2,3,4方式来定义layup orientation，则可以指定一个角度(以度为单位)，该角度定义了整个层叠围绕指定法线方向的附加旋转。可以使用标量离散场来指定空间变化的附加旋转角度。

1.2 Ply Orientation

ply orientation定义了每个ply在layup中的相对方向。和layup 同理,在conventional and continuum shell layups,ply orientation会被投影到shell单元面,使得ply orientation的stacking direction和shell的normal方向一致。seeDefining the stacking and thickness direction

In solid composite layups , the orientation is not projected.就像下图:

abaqus会根据CSYS和rotation angle来确定ply orientation。

CSYS的选项:
Layup : 使用layup orientation作为ply的坐标系
引用一个Datums坐标系,并指定normal direnction,e.g.
Datum csys1.3
indicates that you chose Datum csys-1 to define the coordinate system of the ply, and you chose the 3-axis to define the normal.
rotation angle: 这个选项用来定义每个层内纤维相对于层坐标系统的旋转角度
1.如果指定一个旋转角度，则ply绕坐标系法线逆时针旋转，并且角度相对于1轴进行测量。

1.2.1 Case: Determining the orientation of each ply.

上图中说明:

VerticalTape-1的铺层角度为0°,方位坐标系和layup一致,得到的ply方向是沿着layup orientation方向的1轴。
VerticalTape-2d的铺层角度为90°,方位坐标系和layup一致,layup基准绕3轴逆时针(有手定则)转90度,得到ply方向
DiagonalTape-1 的铺层角度为0°,方位坐标系选择
Datum csys-1
,Datums csys-1绕3轴逆时针转0度,得到ply方向
DiagonalTape-2 的铺层角度为90°,方位坐标系选择
Datum csys-1
,Datums csys-1绕3轴逆时针转90度,得到ply方向

2. 从Composite Layup中获得输出

众所周知,应力,应变等输出变量是在积分点上输出的.在composite layup中,可以指定ply厚度方向上的积分点数;

使用shell sections integrated during the analysis时,shell or continuum shell composite layup默认每个ply有3个积分点;solid composite layup默认每个ply只有1个积分点.可以修改,但需要是奇数

使用 pre-integrated shell sections时,每个ply有3个积分点,不可修改

具有三层的复合层的集成点编号规律如下:

如果不创建输出请求，Abaqus只从复合层的顶部和底部(最高和最低积分点)计算场变量输出;所以,如果需要从composite layup获得场变量输出,必须新建一个输出请求,并且指定输出域(Domain)为composite layup.e.g 从一个composite layup中获得应力,应变输出,输出位置为积分点2,3:

新建一个输出请求,输出域为composite layup,默认的输出位置为ply-middle

2.1 从特定的积分点获得输出

Abaqus/CAE从指定的积分点计算输出。积分点从底层的底部到顶层的顶部依次编号，其中底层是layup中的第一层。例如: 如果希望从下图中所示的每一ply的中间积分点输出应力，则需要输入2、5、8

3. 可视化Composite Layup结果

3.1 Ply Stack Plot

ply stack plot可以用来可视化composite layup的铺层顺序.

进入property模块,选择
tools
->
Query
->
Ply Stack Plot
,选中要查询铺层的区域,然后选择
ply stack plot options
可以定义可视化的选项.比如下图,可以显示每个ply的角度,厚度,材料,坐标系,积分点等信息.

3.2 Ply-based results

abaqus后处理支持查看composite layup的各个层的结果云图.也可以查看 envelope contour plot(maximum or minimum values across all of the plies in the layup.)

查看单个ply的结果云图

进入后处理模块,
results
->
Section Points
,选中ply,然后指定输出的积分点位置.

abaqus可以同时查看layup的顶面/底面位置的结果云图.
conventional shell composite layup
表现为双面壳的云图,两侧的云图并不相同,分别为顶/底面位置的结果;
continuum shell composite layup or solid composite layup
则是分别在顶面,底面绘制云图.[seeSelecting section point data by category]

Envelope plots(包络云图)

包络云图显示了复合材料layup的最大值或最小值变量分布.例如,单元100含有3个ply,每个ply的应力S11值分别为10,20,30.包络云图中显示的值则是10或者30.

此外,也可以输出
quilt contour plot
来展示每个单元中的临界层(critical ply)名称

想要绘制包络图,必须创建一个输出请求,并选择输出所有ply位置的变量

Through thickness X–Y plots

abaqus可以绘制厚度方向上的变量值分布,比如以下是通过13层复合材料铺层在纤维方向上的应变的贯穿厚度图。应变是不连续的，因为纤维的取向在层之间发生了变化

4. 三种 Composite Layup的建模

三种方式的选项,如果前文已经说明,后续不会重复说明.

4.1 Conventional Shell Composite Layup

conventional shell composite layup是由不同方向的不同材料组成的layup.这种方式使用传统的2d shell单元(常用的是S4R,S3R等)来模拟composite layup.

section integration选项
可选:during 和before analysis两种方式.采用默认值(during analysis)即可,适用于绝大多数情况;如果分析涉及nonlinear material behavior和heat transfer,必须使用
during analysis
.(seeUsing a shell section integrated during the analysis to define the section behavior)

使用
before analysis
选项可以定义
Linear moment-bending
和
force-membrane strain relationships
(我猜大概是复合材料的CLT理论)此时所有的计算都是根据截面力和力矩的关系来进行的.section 属性通过
弹性行为
定义;此外在
befor analysis
的前提下还可以对壳的行为进行理想化处理( idealization)(seeUsing a general shell section to define the section behavior)

You should use pre-integrated composite layups if the response of the layup is linear elastic and its behavior is not dependent on changes in temperature or predefined field variables

四种理想化选项(pre-integrated),详见Idealizing the section response:

No idealization,顾名思义
Smeared properties,用于并不明确具体的铺层顺序的情况,比如设计方案中只说明了45度,90度,0度分别占比10%,50%,40%
Membrane only,忽略弯曲刚度,只考虑in-plane行为
Select Bending only,表示结构是
pure-bending
的

以下是定义conventional shell composite layup的界面,表格数据含义已在之前说明,需要注意: 这里的Thickness一列需要输入真实的厚度值,在
Shell Parameters
中,可以定义
Shell thickness
和
Shell thickness variation
等壳属性,在
Offset
下可以指定壳单元的refference surface.

定义
reference surface
的偏移值,偏移值是单元面到中面之距离与单元厚度值的比值
Section Poisson's ratio选项
Section Poisson's ratio
用于定义shell thickness behavior,在
conventional shell element
在大变形分析中允许有限的膜应变,截面泊松比能够使
膜厚度
随
膜应变
的变化而变化.

在Abaqus/Standard中，默认值为0.5，这使得对于
membrane strains
来说,单元强制不可压缩。在Abaqus/Explicit中，默认是基于元素材料定义来改变厚度。Section Poisson's ratio(\nu_p)的值必须在
-1.0~0.5
之间.
0.0
表示shell单元厚度为常数;
$\nu_p<0$
表示tensile membrane strains导致的shell thickness上升;

4.2 Continuum Shell Composite Layup

Abaqus的
continuum shell composite layup
使用
comtinuum shell element
离散，该单元类型具有基于壳理论的运动学行为,但却是3D单元,如SC6R,SC8R.

这种建模方式需要特别注意的是:

comtinuum shell composite layup在厚度方向上应该只有一个单元,这个单元含有layup定义的所有plys;如果layup赋予的region在厚度上有多个单元,那么每个单元中都含有相应的plys;
在网格划分时,应该注意
mesh stack direction
,
comtinuum shell composite layup
可以模拟双面接触,以及厚度变化,因此相比于
conventional shell composite layup
在接触分析中精度更高.
对于section integration选项,使用默认即可.和
conventianal shell composite layup
一致的意思

4.3 Solid Composite Layup

Composite solid elements are primarily intended for modeling convenience. They usually ==do not provide a more accurate solution ==than composite shell elements

大多数情况下,使用前两种建模方式已经满足需要.但如果有以下需求,建议使用solid composite layup:

当横向剪切效应占主导地位时
法向压力不能忽视
需要精确的层间应力时，例如复杂载荷或几何形状的局部区域附近

建模时需要注意的有:

同样,solid composite layup在厚度方向上应该只有一个单元;如果layup赋予的region在厚度上有多个单元,那么每个单元中都含有相应的plys.
在Abaqus/Standard中，实体单元可以含有几层不同的材料，用于分析
laminated composite solids
。在Abaqus/Explicit中，一个实体单元只能有一种均质材料;
solid composite layup
只用和具有位移自由度(1~6)的3d brick单元(如C3D8R,C3D6等),
更多理解seeDefining composite solid elements in Abaqus/Standard,Modeling thick composites with solid elements in Abaqus/Standard