Abaqus Composite Layup建模详解

Abaqus Composite Layup建模详解

Abaqus提供了三种复合材料建模途径：

• 传统的material->section->orientation->step->job的建模方式
• Composite Layup建模方式
• Composite Modeler (CM) 插件建模方式

本文将详细介绍Composite Layup建模方式，包括其三种单元类型：传统壳单元（2D壳）、连续壳单元（3D壳）和实体单元。

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）。在传统壳单元和连续壳单元中，Abaqus会将选择的Datums坐标系投影到壳单元面，使得layup orientation的堆叠方向与壳的法线方向一致。默认情况下是3方向和normal方向一致。在实体复合层叠中，方向不会被投影。

Abaqus定义layup orientation的方式有：

1. 使用part global coordinate system
2. 指定一个基准坐标系（Coordinate system）
3. 使用Discrete orientation，可以为每个单元指定一个orientation
4. 使用Discrete field，定义orientation discrete field来指定空间变化的orientation
5. 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，在传统壳单元和连续壳单元中，ply orientation会被投影到壳单元面，使得ply orientation的堆叠方向与壳的法线方向一致。在实体复合层叠中，方向不会被投影。

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 direction，例如：

  Datum csys1.3
  

  表示选择了Datum csys-1来定义ply的坐标系，并选择了3轴来定义法线。

• 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

• 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或连续壳复合层叠默认每个ply有3个积分点；实体复合层叠默认每个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积分点编号规律如下：

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。例如，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（最大或最小值跨所有ply的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。传统壳复合层叠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；连续壳复合层叠或实体复合层叠则是分别在顶面、底面绘制云图。

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

传统壳复合层叠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壳单元（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

以下是定义传统壳复合层叠的界面，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：

1. 当横向剪切效应占主导地位时
2. 法向压力不能忽视
3. 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

总结

三种建模方式，从精度来说，comtinuum shell composite layup 已经足够高了，使用solid composite layup并不能提供更高的精度。实际应用中，前两种方式已经足够

参考链接

• Understanding how contour values are computed
• Selecting the field output to display
• Reading X-Y data through the thickness of a shell
• Creating and editing composite layups
• Shell section behavior