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1 SIMULIA/Abaqus 针对复合材料 的解决方案 美国 SIMULIA 公司北京代表处 2012 年 8 月 18 日

2 目 录 SIMULIA 公司简介 Abaqus 软件模块配置 Abaqus 分析技术介绍 Abaqus 在复合材料的应用优势 Abaqus 统一的有限元分析平台 国内外部分客户群

3 一 SIMULIA 公司简介 美国 Abaqus 软件公司成立于 1978 年, 总部位于美国罗德岛博塔市, 专门从事非线性有限元力学分析软件 Abaqus 的开发与维护 公司总部雇员两百余人, 其中近 90 余人具有工程或计算机博士学位, 近 60 人具有硕士学位, 被公认为世界上最大且最优秀的固体力学研究团体 2005 年,Abaqus 公司加入法国达索系统, 成为达索集团的全资子公司, 并发展基于以 CATIA ENOVIA 为核心的 PLM 系统架构下的仿真平台 SIMULIA, 这代表着 CAE 技术和 CAD 技术的进一步融合, 为广大用户尤其是航空行业的用户提供更为全面的 PLM 解决方案 Abaqus 软件已被全球工业界广泛接受, 并拥有世界最大的非线性力学用户群 Abaqus 软件以其强大的非线性分析功能以及解决复杂和深入的科学问题的能力, 在结构工程领域得到广泛认可, 除普通工业用户外, 也在以高等院校 科研院所等为代表的高端用户中得到广泛称誉 研究水平的提高引发了用户对高水平分析工具需求的加强, 作为满足这种高端需求的有力工具,Abaqus 软件在各行业用户群中所占据的地位也越来越突出 Abaqus 软件的用户绝大部分是租赁用户, 这些用户通常对产品和服务要求都是很苛刻的 Abaqus 是一个推崇技术的公司, 它始终走在结构力学研究和软件化领域的前沿, 它良好的品质和服务得到业界的广泛认可, 这也是占其用户很大比重的租赁用户一年又一年往复租用它的原因 航空航天是 Abaqus 软件的重要应用领域, 该行业的收入约占 Abaqus 公司年度总收入的三分之一 目前所有大的飞机制造企业如波音 空中客车 洛克希德 - 马丁 Los Alamos 和 Sandia 国家实验室等, 都是 Abaqus 软件的重要用户 波音更是将其专利的 VCCT( 虚拟裂纹闭合技术 ) 嵌入 Abaqus 软件中, 进行断裂问题的求解 Abaqus 软件公司

4 始终注重航空航天领域用户和技术的发展, 近期很多研发方面的决策都是针对航空航天领域的, 如大规模杆板模型的发展 断裂力学和气动弹性分析和 Abaqus 对 CATIA 的嵌入式产品 (Abaqus/AFC) 等 Abaqus 公司北京代表处 2002 年 5 月与北京正式成立, 上海代表处 2005 年 1 月成立 它们是 Abaqus 公司在大中国地区的分支机构, 全面负责 Abaqus 软件在中国的推广和服务 二 Abaqus 软件模块配置 Abaqus 软件主要由 Abaqus/CAE, Abaqus/Standard, Abaqus/ Explicit 三个模块组成 其中 Abaqus/CAE 是前后处理模块, Abaqus/Standard 是隐式求解器模块,Abaqus/Explicit 是显式求解器模块 Abaqus/CAE-- 有限元前后处理框架系统 Abaqus/CAE 是现代的 基于 Windows 风格的前后处理器, 最大限度地降低操作工作量和培训成本 开放式 多功能的体系结构可将工程设计 工程分析 结果评估 用户化和交互图形界面集于一身, 构成一个完整 CAE 集成环境, 其主要特点包括 : 1. 基于 Windows 的用户界面, 既易使用又方便记忆 ; 2. 参数化建模工具 : Abaqus/CAE 将几何模型的特征作为参数, 实现参数化建模 3. Abaqus/CAE 直接支持各种 CAD 格式的导入 / 导出, 并提供与 CAD

5 软件 PRO/E CATIA 以及 Solidworks 的实时交互 ( 修改 PRO/E CATIA 以及 Solidworks 中的几何特征,Abaqus 会自动随之修改 ): 4. 自动有限元建模 Abaqus/CAE 不断增加更灵活更方便的智能化网格划分工具, 提供了自动网格划分功能, 可以根据曲率自动确定网格密度 5. 与 Abaqus 求解器紧密结合 Abaqus/CAE 支持各种非线性 ( 几何, 材料和边界 ) 的功能定义 6. 界面定制功能用户可将 Abaqus/CAE 作为自己的前后处理器, 并利用其强大的 Python 语言把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入 Abaqus/CAE 的框架系统 7. 数据的兼容性 Abaqus/CAE 的一致数据库可使用户实现不同工作平台间的数据相互传递和资源共享 8. 结果可视化处理

6 Abaqus/CAE 丰富的结果后处理功能可使用户直观的显示所有的分析结果, 在产品投放市场前对产品性能进行认定, 并可通过图表文件等方式进行文档整理 9, 操作运行性能优良 Abaqus/CAE 在运行过程中, 对用户的操作响应极快, 尤其对大模型的网格剖分 图形优化 数据库优化 内存管理及屏幕刷新等, 都能快速给出操作结果, 这样将大大加快分析速度 Abaqus/Standard-- 隐式非线性分析求解器 Abaqus/Standard 是功能齐全的高级隐式非线性有限元软件的求解器 它是一个通用分析模块, 它能够求解广泛的线性和非线性问题, 包括 : 线性 / 非线性静力分析 模态分析 简谐响应分析 频谱分析 随机振动分析 动力响应分析 静 / 动力接触 屈曲 / 失稳 失效和破坏分析 机构运动分析等, 具有极强的结构分析能力 可以同时处理几何 材料和接触非线性的组合非线性问题 采用自动增量控制技术处理, 最小化用户输入 Abaqus/Standard 拥有 CAE 工业领域最为广泛的材料模型, 它可以模拟绝大部分工程材料的线性和非线性行为 它提供了丰富的结构单元 连续单元和特殊单元的单元库, 超过 500 种单元类型 几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性, 材料非线性和包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力 Abaqus/Standard 的结构分析材料库提供了模拟金属 非金属 聚合物 岩土 复合材料等多种线性和非线复杂材料行为的材料模型 分析采用具有高数值稳定性 高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术 为了进一步提高计算精度

7 和分析效率,Abaqus/Standard 提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术, 自动确定分析曲屈 蠕变 热弹塑性和动力响应的加载步长 此外,Abaqus/Standard 支持网格重划功能, 用以纠正过度变形后产生的网格畸变, 确保大变形分析的继续进行 对非结构的场问题如包含对流 辐射 相变潜热等复杂边界条件的非线性传热问题的温度场 ; 并具有模拟流 - 热 - 固 土壤渗流 声 - 结构 电 - 热 电 - 热 - 结构以及热 - 结构等多种耦合场的分析能力 为了满足高级用户的特殊需要和进行二次开发,Abaqus/Standard 提供了方便的开放式用户环境 这些用户子程序入口几乎覆盖了 Abaqus/Standard 有限元分析的所有环节, 从载荷定义 边界定义 材料定义到分析求解 结果输出, 用户都能够访问并修改程序的缺省设置 在 Abaqus/Standard 软件的原有功能的框架下, 用户能够极大地扩展 Abaqus/Standard 有限元软件的分析能力 Abaqus/Standard 功能特点 1. 极高的软件可靠性 Abaqus/Standard 是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件, 有着 30 年的开发和改进历史, 每个版本都要有 30,000 多个考题进行产品质量测试 产品通过 ISO9001 质量认证 Abaqus 产品一直是美国核安全局 (NQA) 认证 (NQA-1 标准 ) 的可用于核工业首选的分析软件 2. 优秀的软件品质 Abaqus/Standard 的计算结果被誉为非线性分析的标准, 得到有限元界的一致认可, 而且通过无数考题和大量工程实践的检验 3. 高度灵活的开放式结构 Abaqus/Standard 组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的开放性, 用户可通过用户子程序添加所需的功能 4. 无限的解题能力

8 Abaqus/Standard 对于解题的自由度数 带宽或波前没有任何限制, 其不但适用于中小型项目对于处理大型工程问题也同样非常有效, 并已得到了业界的公认 5. 高效的并行功能 Abaqus/Standard 除了支持单 CPU 分析外, 还具有在 NT 或 UNIX 平台上的多 CPU 或 MPI 环境下实现大规模并行处理的功能, 能够最大限度实现有限元分析过程中的并行化 Abaqus/Explicit-- 显式非线性分析求解器 Abaqus/Explicit 是功能齐全的高级显式非线性有限元软件的求解器 它是一个通用分析模块, 它能够求解广泛的高度非线性动力学问题, 包括 : 冲击 碰撞 水下爆炸等瞬态 高度大变形非线性分析等, 具有极强的结构分析能力 可以同时处理几何 材料和接触非线性的组合非线性问题 采用自动时间步长控制技术, 最小化用户输入 Abaqus/ Explicit 拥有 CAE 工业领域最为广泛的材料模型, 它可以模拟绝大部分工程材料的线性和非线性行为 Abaqus/Explicit 功能特点 1, 极高的软件可靠性 2, 优秀的软件品质 3, 高度灵活的开放式结构 4, 无限的解题能力 5, 高效的并行功能 Abaqus/Standard( 通用程序 ) 和 Abaqus/Explicit( 显式积分 ) 同为 Abaqus 公司的产品, 它们之间的数据传递非常方便, 可以很容易地考虑预紧力等静力和动力相结合的计算情况 Abaqus 软件的求解器是智能化的求解器, 可以解决其它软件不收

9 敛的非线性问题 对于其它软件也收敛的非线性问题,Abaqus 软件的计算收敛速度较快, 并更加容易操作和使用 综合起来,Abaqus 软件具有 : 比其他通用有限元软件更多的单元种类, 单元种类达 580 余种, 提供了更多的选择余地, 并更能深入反映细微的结构现象和现象间的差别 除常规结构外, 可以方便地模拟管道 接头以及纤维加强结构等实际结构的力学行为 更多的材料模型, 包括材料的本构关系和失效准则等, 仅橡胶材料模型就达 16 种 除常规的金属弹塑性材料外, 还可以有效地模拟高分子材料 复合材料 土体 岩石和高温蠕变材料等特殊材料 Abaqus 还提供灵活强大的用户自定义接口, 用户可以使用 Fortran 语言来开发自己的材料模型 更多的接触和连接类型, 可以是硬接触或软接触, 也可以是 Hertz 接触 ( 小滑动接触 ) 或有限滑动接触, 还可以双面接触或自接触 接触面还可以考虑复杂的摩擦和阻尼的情况 上述选择提供了方便地模拟密封, 挤压, 铰连接等工程实际结构的手段 Abaqus 的疲劳和断裂分析功能, 概括了多种断裂失效准则, 对分析断裂力学和裂纹扩展问题非常有效 隐式和显式求解器无缝集成, 同为 Abaqus 公司的产品, 单元类型和命名一致, 用户可以很方便的进行两种求解方法的转化和联合运算 三 Abaqus 分析技术介绍 非线性材料的模拟 航空航天行业涉及大量的非线性材料, 比较典型的如橡胶 各类的 复合材料 泡沫材料等都可以在 Abaqus 中得到很好的模拟 在橡胶材

10 料方面 : 橡胶本构模型种类齐全, 近 20 种之多, 可以模拟各种橡胶材料的特性 ; 可以直接输入橡胶材料的实验参数, 生成对应的橡胶模型, 并对模型的稳定性进行检验, 确定稳定收敛区间 如右图是三菱重工公司采用 Abaqus 对某车型的换档装置在换档过程中的橡胶进行的大变形分析 泡沫材料是新型材料之一, 由于其结构特殊现在被广泛用于吸能 吸声等场所, 该材料可以在碰撞的时候吸收绝大部分的能量, 同时由于其孔洞结构使得密度很小, 质量很轻, 是理想的吸能材料 Abaqus 中含有专门的泡沫材料本构, 可以对这类的材料进行很好的模拟 在复合材料方面 :Abaqus 允许多种方法定义复合材料单元, 包括复合材料壳单元 复合材料实体单元以及叠层实体壳单元 ; 提供基于平面应力的失效准则和基于断裂力学的开裂功能, 包括最大应力 Tsai-Hill Tsai-Wu Azzi-Tsai-Hill 和最大应变等理论研究纤维 基体和界面失效以及纤维屈曲失效等失效模式 ; 用户自定义材料机械性能 (UMAT) 子程序可以由用户定义各种复杂的机械本构模型并使用在 Abaqus 分析中,UMAT 已经被广泛用于研究金属基体复合材料, 固化, 纤维抽拔, 和其他对复合材料很重要的局部效应 图示为波音公司对某新机型做的复合材料断裂分析 强大的热分析以及热 - 力耦合分析功能由不同材料组成的封装组件在温度变化的环境下会产生很大的热应力, 导致封装失效 Abaqus 具有强大的热固耦合分析功能, 包括 : 稳态热传导和瞬态热传导分析, 顺序耦合热固分析, 完全耦合热固分析, 强制对流和辐射分析, 热界面接触, 热电耦合等等 可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性 热硬化性 高温蠕变等复杂

11 材料模型, 来模拟金属 聚合物 复合材料等电子材料的热学和力学性质 Abaqus 包括 51 种纯热传导和热电耦合单元,83 种隐式和显式完全热固耦合单元, 覆盖杆 壳 平面应变 平面应力 轴对称和实体各种单元类型, 包括一阶和二阶单元, 为用户建模提供极大的方便 而其他通用有限元软件对应的热分析单元数量都比 Abaqus 少, 如 ANSYS 中纯热传导和热耦合单元总计为 40 种,MARC 中纯热传导单元为 40 种, 无完全热固耦合单元 右图是台湾新竹清华大学采用 Abaqus 分析 BGA 焊点热应力和热应变的模型图 Abaqus 还是世界上各大汽车厂商分析发动机中热固耦合和接触问题的标准软件, 如奥地利著名发动机生产商 AVL 在自己的发动机分析软件 AVL.Excite 中嵌入 Abaqus 作为求解器 下图为采用 Abaqus 分析得到的某电路板的温度场分布云图 典型应用 : 塑料 陶瓷 金属封装等各种封装组件在温度载荷下的变形和受力 IC 芯片和基板之间的导热 封装材料界面间的热传导 板上元件的强制对流散热 散热片通过空气的辐射散热等 热疲劳问题

12 由于受热导致的应力和应变在温度循环下会造成封装材料疲劳失效, 如倒装焊中的焊点和表面贴装中的引线热疲劳问题 Abaqus/Standard 中的直接载荷循环分析功能提供了预测承受热载荷的弹塑性结构的低周热疲劳寿命 更复杂的疲劳问题可以通过 Abaqus/Safe 模块来实现 右图是 NEC 公司和纽约州立大学 Buffalo 分校电子封装中心合作采用 Abaqus 进行表面贴装中共晶焊点热疲劳失效分析的结果 断裂和材料失效分析材料的剥离与失效可以在 Abaqus 中得到很好的模拟, 包括模拟冲击材料的双面磨损功能 另外 Abaqus 的自适应网格功能为克服和补偿切割过程的大变形带来的网格奇异造成的计算误差, 提供了有力的手段 Abaqus 提供特有的粘结单元 (Cohesive element) 和虚拟裂纹闭合技术 (VCCT) 来精确模拟粘结结构 层状结构粘结部位的分离和开裂, 该技术被多家企业和研究机构大量使用, 如波音 Intel GE 杜邦 宝马等等 Abaqus 中最新提出的 XFEM 技术, 可以模拟弹性材料中的裂纹扩展 Abaqus 的断裂力学分析功能在商业求解器中是国际上公认的最强的, 并且不断在客户推动下发展 此外,Abaqus 可以很方便的进行材料剪切 拉伸 屈曲等工况下失效的模拟 这样为模拟芯片, 模塑料等封装组件开裂问题提供了有力手段 右图是 Intel 公司和 Abaqus 合作, 利用粘结单元模拟焊球和基板之间的开

13 裂, 对母板生产厂商提供设计标准 疲劳分析 Fe-Safe 提供了金属和非金属材料疲劳寿命预估功能 它依托于 Abaqus 的求解器模块, 将 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 的应力分析结果根据载荷出现的几率进行数理统计和分析, 得到疲劳寿命的预估值, 并可以用 Abaqus/CAE 的图形界面进行处理, 得到用户关心的参数, 有效地指导结构的疲劳设计 Fe-Safe 和 Abaqus 的分别是疲劳寿命计算及结构位移 / 位移分析方面的最优秀分析软件, 两者的有机结合可以对机械结构疲劳设计和分析提供最佳的解决方案 强度以及动力学分析 Abaqus 除了能分析线性静力学问题外, 还能求解包含材料非线性 接触非线性以及几何非线性问题的复杂非线性问题, 这也是 Abaqus 软件的传统优势 雷达是重要和常见的船载和机载设备, 同时它要承受的载荷条件也是很严酷的, 对雷达的动力学分析则是安装和设计船载雷达的安全保障 Abaqus 可以对雷达进行多类的分析, 如部件及装配件的频率分析, 整体的装配分析, 承受风载荷的分析 遭受到冰雹 鸟撞等冲击载荷的分析 Abaqus 的通用求解器和显式积分求解器可以满足上述的要求, 并且还可以将两个求解器结合起来, 进行含装配预应力的雷达受到鸟撞的分析 国内某研究所对某型号的雷达天线进行了分析, 工况包括 : 自然频

14 率的提取 过盈装配的分析以及风载荷的分析等等 冲击动力学 ( 鸟撞问题 ) 跌落和碰撞问题一般需要采用显式动力学方法进行求解 已有的实验证明, 直径为 2 毫米的水滴, 在 750 米 / 秒的速度下撞击马氏体钢, 会使后者发生塑性变形 容易想象, 一只重约 250 克的飞鸟, 其相对飞行速度为 米 / 秒与飞机相撞, 足以使飞机的挡风玻璃 机体 发动机叶片或外罩等严重变形或破碎, 从而造成灾难, 因此鸟撞问题一直是航空航天领域倍受关注的难题 飞鸟在撞击结构的过程发生在很短时间内, 一般为 50 毫秒左右, 此过程中飞鸟肌体将发生流动变形和解体而四处抛洒, 结构亦将产生大变形, 甚至发生破坏, 例如挡风玻璃破碎 机体穿透 发动机叶片断裂等 同时, 结构的动态响应将在较长时间内持续发生, 但令人感兴趣的时间段一般不超过 100 毫秒 由于鸟撞整个过程在较短的时间内完成, 一般物理实验费用昂贵而且难于提供足够的信息, 因此, 目前在对飞行器鸟撞研究时, 采取方法是以应用有限元技术模拟鸟撞为主, 并辅以物理实验 有限元程序在模拟鸟撞时, 必须具备的功能包括 : 飞鸟物理材料的描述 飞鸟流动变形的描述 飞鸟与飞行器接触的描述 飞行器结构大变形和破坏过程的描述

15 当前, 世界范围内对鸟撞进行分析广泛采用的工具为 Abaqus/Explicit 该程序是著名高度非线性有限元显式求解程序, 主要用于分析结构在高速撞击 爆炸等动载荷下的动态响应 飞鸟在高速撞击时将产生强大压力, 足以使金属材料发生变形和破坏 在这样的变形条件下, 飞鸟的材料呈流体 Abaqus/Explicit 中的飞鸟材料采用状态方程描述材料 对于结构 ( 飞行器 ) 的损伤和破坏, 可使用 Abaqus 的材料损伤模型计算结构材料的破坏, 例如挡风玻璃 叶片 发动机外罩或机体 机翼等的失效和破坏

16 四 Abaqus 在复合材料领域的优势 4.1 复合材料介绍 复合材料的应用复合材料有许多特性 : 1 制造工艺简单 2 比强度高, 比刚度大 3 具有灵活的可设计性 4 耐腐蚀, 对疲劳不敏感 5 热稳定性能 高温性能好由于复合材料的上述优点, 在航空航天 汽车 船舶等领域, 都有广泛的应用 复合材料的大量应用对分析技术提出新的挑战

17 4.1.2 复合材料的结构复合材料是一种至少由两种材料混合而成的宏观材料, 其中的一种材料被称作基体, 其它的材料称作纤维 其中纤维可以包含很多不同的形式 : 离散的宏观粒子, 任意方向的短纤维, 规则排列的纤维和织物 典型的复合材料 1) 单向纤维层合板 ---- 冲击分析

18 2) 编织复合材料 ---- 挤压分析 3) 蜂窝夹心复合材料 ---- 不可见冲击损伤分析

19 基体和纤维的存在形式以及材料属性对于复合材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材料具有如下性质 : 1) 低成本 : 原型, 大规模生产, 零件合并, 维修, 技术成熟 2) 期望的重量 : 轻重量, 比重分配合理 3) 改进的强度和刚度 : 高强度 / 高刚度比 4) 改进的表面属性 : 良好的耐腐蚀性, 表面抛光性好 5) 期望的热属性 : 较低的热传导性, 热膨胀系数较低 6) 独特的电属性 : 具有较高的绝缘强度, 无磁性 7) 空间适应性 : 大部件, 特殊的几何构型 复合材料的有限元模拟根据不同的分析目的, 可以采用不同的复合材料模拟技术 : 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 : 将复合材料模拟为一个正交各向异性体或是完全各向

20 异性体 3) 混合模拟 : 将复合材料模拟为一系列离散 可见的纤维层合板 4) 离散纤维模拟 : 采用离散单元或是其它模拟工具进行模拟 5) 子模型模拟 : 对于研究加强纤维周围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 混合模拟 : 层合板的混合模拟 Abaqus 中复合材料的单元技术 Abaqus 中复合材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 分层壳单元单元类型 :S4, S3R;

21 复合材料截面属性的定义 :* SHELL SECTION, COMPOSITE 复合材料定义 : 各向同性 正交各项同性 层合板 工程常数以及各向异性等 特点 : 可以准确地考虑横向剪切应力 实体单元单元类型 :C3D8I, C3D6 复合材料截面属性的定义 :*SOLID SECTION, COMPOSITE 复合材料定义 : 各向同性 正交各项同性 工程常数以及各向异性等 特点 : 可以用实体单元来模拟考虑厚度方向的复合材料分析 实体壳单元单元类型 :SC6R, SC8R; 复合材料截面属性的定义 :*SHELL SECTION, COMPOSITE,STACKING DIRECTION 复合材料定义 : 各向同性 正交各项同性 层合板 工程常数以及各向异性等 特点 : 实体壳单元建模采用实体模型, 但响应类似于壳单元, 可以更加精确的模拟复合材料层合结构厚度方向的响应 损伤失效模拟 Abaqus 可以对复合材料的纤维和基体的材料以及接触界面进行渐进损伤和失效分析 渐进损伤和失效对于纤维和基体的失效模式预测 : 1)Hashin Criteria; 2)UMAT (Abaqus/Standard);

22 3)VUMAT (Abaqus/Explicit) 胶结层合板发生分层失效 : 1)Virtual Crack Closure Technique (VCCT); 2)Cohesive Elements; 3)Cohesive Contact 4.2 Abaqus/CAE 中复合材料的建模技术在 Abaqus/CAE 中, 有专门的复合材料设计模块 plyup 应用该模块可以对复合材料进行铺层设计 对于每一个铺层, 可以选择铺层应用的区域 使用的材料 铺层的铺设角度 厚度等 对于铺层较多的结构件, Abaqus/CAE 提供了很方便的检查手段, 可以显示铺层沿厚度方向将每一层分离展示, 一目了然, 这也是数字化设计的一大优点 后处理模块中, 可以显示每一个铺层厚度方向上的应力 位移 损 伤云图, 也可以显示复合材料厚度方向上变量的变化曲线

23 复合材料建模模块 (CMA) 通常情况下, 在进行仿真分析中, 复合材料铺层都是按照理想设计进行分析的 而在复合材料实际的加工制造过程中, 纤维铺层不可避免地会发生折叠 交错, 因此纤维的方向以及铺层的厚度都会发生变化 如果再按照理想设计的复合材料铺层去进行分析计算, 就得不到真实结构的力学性能 Composite Modeler for Abaqus/CAE(CMA) 确保在建模初始阶段就能考虑铺层的的工艺性能, 确保复合材料铺层在工艺上的可行性 这样避免了日后在研发周期上由于重新设计而增加的成本 此模块还可以生成制造数据以确保最终的零件与分析模型相符 CMA 补充和扩展了 Abaqus/CAE 强大的复合材料仿真能力, 并与

24 Abaqus/CAE 完美的融合在了一起 此外, 凭借其与其他环节的直接融 合能力, 实现了整个企业设计与制造的紧密联系 目前, 由 CMA 得到的空间中不断变化的纤维方向和铺层厚度可直接提供给非线性隐式算法和显式求解器, 实现真实地仿真计算 因而在每个单元产生铺层角度, 真实反应了仿真和实际纤维结构, 这些功能确保计算中可达到前所未有的真实性 如下图所示, 对于弯曲的几何结构, 当某些单向带 / 织物存在覆盖情况时需要考虑局部的纤维方向, 计划的坐标系统可能无法正确地考虑弯曲几何结构 要确保提议的将要制造的铺层具有实际可生产性 ( 平坦模式

25 预测 ) 另外,CMA 使复合材料结构的分析 设计和制造完美的结合在一起 使用 CMA, 可以将 Abaqus/CAE 创建的模型可以直接倒入到 CATIA V5 中进行细节设计, 也可以将 CATIA CPD 中设计的复合材料模型以及铺层导入到 Abaqus/CAE 中 通过精确的模型转换, 可快速实现设计上的反复, 从而提高整个研制过程的效率

26 CMA 的优势 : 1 与制造过程直接相类似的壳单元铺层定义 ; 2 可在 Layup 模块中直接加入 CMA 铺层,Layup 模块中直接定义了铺层的叠放顺序 在一个 Layup 模块中可重复使用铺层定义 ; 3 对复杂铺层的模拟 ; 4 单元法向不连续或几何模型包含表面分岔, 铺层的应用方向与单元法线方向不同 ; 5 通过复合材料模块的树状结构, 可以方便查看复合材料的铺层模型 ; 6 CMA 仿真提供平面和立体裁片型结果 准确查看铺设属性, 检查铺层的可制造性 ; 7 在 CMA 模块中,Ply Layup 模型向单元属性的转换非常方便 允许对铺层模型的快速改变, 并继续进行随后的分析 ; 允许应用立体裁剪引发的纤维空间角度 ; 全局的铺层辨识使得可以铺层为单位查看结果 总之 :CMA 使得对复合材料模型的生成 修改和表示更加简单 4.3 Abaqus 中复合材料的高级分析技术 纤维增强复合材料的渐进损伤 (Hashin s 损伤理论 )

27 材料失效涉及到由材料刚度渐进退化导致的失去承载能力 用损伤力学模拟刚度退化, 使用平面应力单元模拟, 并考虑四种不同的失效模式 : 1) 纤维拉伸开裂 ; 2) 纤维屈曲和压缩失效 ; 3) 基体拉伸和剪切开裂 ; 4) 基体拉伸和剪切碾压 渐进损伤中典型材料响应

28 复合材料的损伤模型主要是 Hashin s 损伤模型, 可以包括纤维的压缩和拉伸失效 基体的压缩和拉伸失效 应用 Hashin s 损伤模型可以模拟不可见的冲击损伤 (BVID), 从而可以预测受冲击后结构的残余损失以及冲击力的大小 冲击力的预测 损伤区域 失效理论失效准则可以分成两类 : 独立式和交互式 ( 或多项式 ) 前者应用起来简单, 可以给出失效模式, 但是忽略了失效机理中应力之间的相互影响 后者考虑了失效机理中应力之间的相互影响, 但是并不给出失效模

29 式 Abaqus 中的复合材料失效准则主要有 : MSTRS TSAIH TSAIW AZZIT MSTRIN 最大应力理论失效准则 Tsai-Hill 理论失效准则 Tsai-Wu 理论失效准则 Azzi-Tsai-Hill 理论失效准则最大应变理论失效准则 Distribution of material damage at maximum load Abaqus/Explicit 模拟复合材料冲击 Abaqus 的损伤模型只能用于具有平面应力形式的单元 : 平面应力, 膜和壳单元, 而用户自定义材料子程序可以将该功能扩展到其他应力状态的单元 (3D) Abaqus 的复合材料损伤 VUMAT, 包含两个可用程序 : 1) 单向纤维 VUMAT( 扩展内置功能以致可以包含 3D) 2) 织物 VUMAT 单向纤维 VUMAT

30 初始假设是弹性应力 / 应变关系为正交各向异性损伤弹性, 损伤理论采用 3 维 Hashin 准则 对于该子程序, 必须指定 19 个用户材料常数 : 三个主方向的弹性模量 :E11, E22, E33; 泊松比 :n12, n13, n23; 剪切模量 :G12, G13, G23; 剪切强度 :S12, S13, S23; 每个主方向的拉伸和压缩强度 X1t, X1c, X2t, X2c, X3t, X3c 编制复合材料 VUMAT 该 VUMAT 假设纤维之间都是相互垂直的 ( 不存在褶皱 ), 采用局部笛卡儿坐标系表示应力 - 应变之间的本构关系, 将基向量作为纤维方向 织物加强铺层被模拟为均一的正交各向异性弹性材料, 纤维和基体开裂能导致发生渐进刚度退化, 由剪切载荷能引发塑性变形 Abaqus 内置了该用户子程序, 对于该子程序, 必须指定 24 个用户材料常数 :

31 纤维 1 方向和 2 方向的弹性模量 :E1+/-, E 泊松比 :n 剪切模量 :G 剪切强度 :S 12+, n12-1+/-, G 2+/- 拉伸和压缩强度 :X1+/-, X 剪切平衡参数 :a 12, d12max 2+/- 2+/- CZone 冲击时吸收能量的可压碎结构被用于 : 汽车 直升机 飞机 火车 及其它运输工具当中, 这种能量吸收结构能保护内部人员或者货物受冲

32 击时免于受伤与强烈震动 相比于沉重的采用金属的设计, 复合材料由于具有能提供轻质可修复结构吸收能量的能力, 因而具有很大潜力 目前没有商业方法能精确模拟或者预测这种结构的压碎特性 这些结构的模拟仿真将考虑到具有效益的发展和这种可压碎复合材料结构的设计, 以达到需要的性能参数 精确模拟复合结构的压碎特性具有挑战性, 一般来说这种压碎响应不能由传统的失效机理来描述 很难准确地用该过程中涉及到的单一某个失效机理来描述 Abaqus 的 CZone 技术可以进行符合结构的压碎响应 这些仿真考虑到这种可压碎复合结构的有效发展以达到需要的性能参数 Abaqus 的 CZone(CZA) 是 Abaqus/Explicit 的一个拓展, 它将 CZone 技术与 Abaqus/Explicit 强大的冲击建模功能相结合 对受冲击结构的前缘的挤压区域,CZA 提供直接的基于挤压的单元失效分析 CZone 技术通过下面两种方式融入 Abaqus/Explicit 当中 : 一个是 CZone 压碎材料定义, 描述材料的压碎响应 ; 一个是 CZone 联系定义, 对挤压区域内由于屈曲 剪切等引起的局部载荷进行建模典型的 Abaqus 的一个 CZone 分析的目标 : 确定吸收了多少能量 ; 峰值加速度 ; 平均加速度 ; 多少材料完全压碎 ; 识别遭受其他破坏形式的区域 ; 了解损伤的进程

33 4.3.4 Abaqus 中复合材料分层破坏的模拟为了降低层合板复合材料结构的成本, 考虑大结构的整体化胶接 主结构中, 需要在铺层之间采用胶接传递层间载荷 损伤容限要求胶接接触面可以承受所需承受的载荷 纤维增强复合材料有高比强度 高比刚度 可设计性好等优点, 但其最大的弱点是容易产生层间分层, 导致结构的刚度和强度急剧下降, 疲劳性能恶化 如何模拟复合材料层间破坏是需要重点考虑的问题 Abaqus 中复合材料分层破坏的模拟有两种方式 :VCCT( 虚拟裂纹闭合技术 ) 和 Cohesive 技术 虚拟裂纹闭合技术 (VCCT) 用于 Abaqus 技术的 VCCT 是由 Composite Affordability Initiative (CAI) 中的 Boeing Commercial Aircraft Group 发展起来的 VCCT 是波音的技术专利, 在其内部已经应用与复合材料的分析长达数十年之久 而 Abaqus 将 VCCT 这种技术内嵌于 Abaqus/standard 中, 用于有效地分析复合材料结构的断裂和分层问题

34 VCCT 基于线弹性断裂力学的原理, 通过计算不同形式裂纹尖端的能量释放率, 与复合材料层间开裂的临界能量释放率相比较, 来计算层间裂纹的扩展 其具有的优势为 :VCCT 完全与 Abaqus 中现有的单元 材料以及求解功能兼容, 只需定义裂纹存在的界面, 而无需定义裂纹扩展的方向 使用 VCCT 可用用于确定复合材料结构的承载极限以及类似的典型 航空复合材料结构的失效模式

35 加强梁和蒙皮间的有效分层 初始开裂区域 Cohesive 技术

36 采用 cohesive 单元技术或基于 cohesive 的接触技术, 同样可以来模拟复合材料的分层破坏以及胶结接头的连接 使用牵引 - 分离接触行为来模拟粘性连接, 是一种十分简单易用的方法 该方法的功能和使用粘单元模拟牵引 - 分离本构行为的功能基本类似 然而, 该方法不需要定义单元, 并且粘性表面可以随着粘性接触面的产生随时进行绑定 该方法初衷是用来模拟可以将接触面的厚度忽略掉的情况 分析时必须将其定义成表面交互的性质, 而对于粘性表面来说, 损伤是一种交互性质, 而不是材料性质 粘性表面的运动学与粘单元的不同, 默认会自动计算粘性接触面的初始刚度 Cohesive 单元的应力应变行为见下图, 称为牵引 - 分离模式 (Traction- Separation) 应力 - 应变曲线上升段代表 Cohesive 单元的线弹性行为, 应力 - 应变曲线下降段代表 Cohesive 单元的刚度衰减及失效过程 Cohesive 单元的初始损伤基于应力或应变判据, 而损伤扩展判据有两种, 一种基于能量, 另一种基于位移 使用 VCCT 和 Cohesive 技术对比 :

37 Z-pin 增强复合材料的模拟 Z-pin 增强复合材料可以很好地控制复合材料的层间开裂 对于此类复合材料的模拟, 可以同时使用 VCCT 和 cohesive 单元技术 复合材料的层间开裂使用 VCCT 技术, 而 Z-pin 的影响使用 cohesive 单元模拟

38 4.3.5 Abaqus 中复合材料其他分析功能 复合材料后屈曲行为的模拟许多情况下复合材料层合板的屈曲以及后屈曲行为是要重点考虑的 Abaqus/Standard 中 Buckling 和 Riks 分析步能够很好的模拟屈曲行为

39 低周疲劳分析在航空领域中, 由近似临界周期载荷所引起的复合材料分层扩展问题受到普遍地关注 Abaqus 中的低周疲劳准则可以模拟界面处的渐进分层扩展情况 该准则只能用于低周疲劳分析, 并且使用直接的循环方法 (*DIRECT CYCLIC, FATIGUE) 必须在模拟中指定分层( 或裂纹 ) 扩展所沿的界面, 基于 VCCT 可以计算界面单元裂纹尖端的断裂能量释放率 低周疲劳分析采用直接循环步骤直接获取结构的稳定循环响应 该循环步骤通过联合傅立叶级数 (Fourier series) 近似值和非线性材料的时间积分, 使用修正的 Newton method 来获得稳定的循环结果 可以控制傅立叶数量条件, 迭代次数和循环过程中的时间增量, 以获取准确的数值结果 在每个载荷循环过程中, 都假设发生几何非线性行为, 约束条件为绑定接触

40 DCB 模型的低周疲劳预测包含两步 : 步骤 1: VCCT 分析该步骤可以检查是否最大负载导致了静态裂纹扩展 步骤 2: 低周疲劳分析该步骤可以评估受到近似临界周期载荷作用的 DCB 模型的疲劳寿命

41 断裂分析 (XFEM) 扩展有限元法 XFEM 是美国西北大学 Belytschko 教授于 1999 年提出的一种求解不连续力学问题的数值方法, 它继承了常规有限元法的所有优点, 在模拟界面 裂纹生长 复杂流体等不连续问题时特别有效, 最近几年得到了快速发展和应用 它和常规有限元法最根本的区别在于, 它所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关, 从而克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难, 模拟裂纹生长时也无需对网格进行重新剖分 扩展有限元法是迄今为止求解裂纹扩展问题最有效的数值方法, Abaqus 不失时机的将 XFEM 商业化到求解器中, 不仅分析模型的创建简单, 而且功能强大 基于 XFEM 方法, 可以通过最大主应力准则 MAXPS 或最大主应变准则 MAXPE 的损伤初始化以及基于能量的损伤演化, 进行复合材料的断裂分析 ; 同时, 还可以结合 VCCT 或 cohesive 技术考虑层间开裂分析

42 此外, 损伤演化准则还可以基于线弹性断裂力学中的 VCCT 技术进行复合材料的断裂模拟 结合 direct cycle 分析技术, 还可以进行复合材料的疲劳断裂模拟 纤维缠绕复合材料在航空航天 汽车以及石油化工行业, 纤维缠绕技术已经成为制造高比刚度复合材料结构的主导方法 由于缠绕结构纤维丝的走向连续变化, 如何对纤维缠绕结构进行精确的性能分析一直是个难点 为了解决这一难题,SIMULIA 的研发人员开发了基于 Abaqus 的扩展功能, 实际解决了空间不同方向纤维的建模问题

43 通过基于 Abaqus 的纤维缠绕建模模块 (WCM), 用户可以创建拥有详细规范结构外形和缠绕设计参数的模型, 可进行沿纤维方向应力和应变的后处理 应用连续体或壳单元可创建轴对称或三位模型 可通过用户自定义界面来快速定义缠绕外形, 进行几何和网格的创建 有多种方法生成缠绕基体 纤维丝缠绕在其上 WCM 模块允许用户定义椭圆形 球形 测地形状, 或通过表建立独立点 另外, 还可以通过已有的部件来创建缠绕基体的几何模型 WCM 建模器中可选择生成整体或局部模型 对称或不对称压力容器形状 在容器的几何外形和承载允许的条件下, 如其几何形状具有对称性,WCM 会自动创建对称的几何模型, 并在对称面上生成适合边界条件的网格, 从而降低了模型的尺寸 如果一个给定的压力容器设计有两个不同的穹顶形末端 ( 即非对称结构 ), 首先创建两个独立的穹顶, 然后将其与圆柱部分合并, 从而生成了一个非对称压力容器的整体模型 此模块解决了螺旋铺层接近穹顶的转折点时的厚度增加问题 通过插件自动划分有限元网格, 用户可设

44 置沿厚度方向的种子数以及穹顶轮廓线上的单元数

45 4.3.7 复合材料应用 F-16 复合材料水平尾翼强度分析 F-16 水平尾翼采用复合材料设计方案后, 需对结构特性和力学性能重新进行评估 模型 肋和加强杆 利用 Abaqus 软件的复合材料功能, 对 F-16 的水平尾翼建模 前处 理直接输入复合材料的各种材料属性 可以为蒙皮 肋和加强杆直接定 义复合材料

46 为蒙皮 肋 加强杆和附加板定义复合材料层操纵载荷在水平尾翼表面产生向下的压力 对复合材料水平尾翼施加气动载荷, 扭矩载荷 瞬态压力载荷等, 进行静力和动力分析, 并完全支持结构的后处理 All load passes through control arm 操纵载荷在尾翼表面产生向下的压力计算结果可以直接在后处理中完成, 可以显示每层材料的受力状态 可以得到层间剪切应力, 用于评估结构分层 并可以将计算结果输出到文本文件, 供进一步处理

47 外壳顶层复合材料的应力静力分析完成之后, 还可以对结构的动力学响应做进一步的评估 利用静力分析模型, 稍加修改, 通过 Abaqus/CAE 将动力载荷直接施加在结构上 瞬态压力载荷 可以直接得到结构的各种响应值, 如应力和位移等 并可以直接在 后处理中输出 3 末端位移的历程输出和附属板的应力 复合材料管的优化当温度改变 200 度时, 保持结构不存在沿圆周方向的应变, 重量是需要重点考虑的问题 因此, 只是简单地将结构视为沿圆周方向是刚性的模拟是不可行的 使用复合材料来模拟该问题, 因为可以根据我们的

48 需要控制材料的热膨胀系数 重要的属性是沿纤维方向的热膨胀系数为负数, 而其他方向热膨胀系数都为正数 设计约束 : 1) 只考虑一个固定的铺层 ( 第四层 ); 2) 只采用对称铺层, 因此只需要确定纤维方向的铺层角度这一个参数 ; 3) 铺层角度将在 0-90 之间变化, 共采用 10 组数据点 ; 4) 根据圆周应变确定最合理的设计 通过优化, 可以得到周向应变最小时所对应的纤维铺设方向 机翼复合材料优化

49 某复合材料机翼, 采用 Abaqus 进行分析, 得到 Tsai-Wu 失效变量 通过优化纤维铺设角度的改变, 使得 Tsai-Wu 失效变量始终不大于 1, 从而保证复合材料机翼的安全性 优化目标 :Tsai-Wu 失效变量最小设计变量 :4 个铺层角度, 并且可能的变化角度为 [-90, -45, -30, -15, 0, 15, 30, 45, 90] 约束 :Tsai-Wu 失效变量不大于 1

50 采用 Isight 进行优化 优化前后对比 :

51 优化前 优化后 铺层角度 [0, 45, 0, 30] [0, 90, 15, 90] TSAIW 最大 S11 43,000 ksi 22,700 ksi 五 Abaqus 统一的有限元分析平台 在 Abaqus 平台下, 复合材料结构的静力学分析 冲击动力学分析过程等, 无论是线性分析还是非线性分析, 均在同一个平台下完成, 不必再利用其它软件进行数据的传递 例如, 需要对复合材料结构, 进行不同类型的分析, 如 : 静力分析包括稳定性分析, 分层开裂分析, 热固耦合分析, 包含纤维材料和基体损伤的非线性分析, 冲击分析等, 既要使用隐式求解器, 也要使用显式求解器 如果购买不同的软件进行不同类型的分析, 如线性分析软件解决线性问题 非线性分析软件解决非线性问题, 势必需要不同的工程师学习不同的软件, 这样将导致人力资源的浪费, 而且不便于技术人员之间的技术交流 在有限元分析技术人员缺乏的条件下, 同时使用多个分析软件, 还会造成工作效率的低下 同时, 不同软件升级进度不同, 还会引起的数据兼容性问题, 而且多个软件的升级费用也非常高 如果采用 Abaqus 分析平台, 所有不同类型的问题, 其建模 分析以及结果的后处理都在同一个有限元分析平台下完成 不需要重复的创建模型, 也不需要模型在不同软件之间的传递 而且, 所有工程技术人员在同一个环境下工作, 便于技术交流

52 六国内外航空航天部分客户 国外客户 : AIRBUS Arnold Air Force Base Boeing Operations International, Inc. Boeing Commercial Airplane Group Boeing Satellite Systems, Inc. Lockheed-Martin Nasa Lewis Research Center NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER US Navy 国内客户 : 沈阳 601 所 西安 603 所 成都 611 所 北京 621 所 北京 625 所 北京 301 所 景德镇 602 所 成飞公司 航天一院一部 一院信息中心 14 所 702 所 二院二部 三院三部 四院 41 所 六院 11 所

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