Abaqus复合材料 (1) – 有限元建模简介

复合材料 (Composite Material) 是由两种或两种以上的不同材料在微观或宏观上通过物理或化学方法组合而成的一种多相材料。其由两种主要成分组成：1）增强材料 (Reinforcement)：复合材料中起主要承载作用的部分，负责增强材料的机械性能。2）基体 (Matrix)：是复合材料中包裹和支撑增强材料的部分，主要作用是将增强材料固定在一起，并在各增强材料之间传递载荷。

1. 有限元建模

在使用 Abaqus 模拟复合材料时，根据建模的细节程度以及分析需求，可以选择不同的建模方式，同时选择不同的单元类型进行模拟。主要包括有：

1）微观建模；

2）宏观建模；

3）层合板建模；

4）离散增强材料建模。

1.1 微观建模

微观建模是以复合材料的物理成分为基础，将材料的增强材料（如纤维或颗粒）和基体分开对待，通过单元显式地描述增强材料与基体的几何和材料属性。

 

此建模方式适用于：

1）对增强材料和基体的内部应力分布感兴趣，研究微观损伤和失效机理；

2）复合材料的界面粘结破坏、纤维断裂或脱粘的模拟；

3）设计或优化复合材料的微观结构以提升整体性能等。

1.2 宏观建模

宏观建模将复合材料看作一种均匀化的材料，从宏观尺度直接描述其力学行为，而无需关注纤维或基体的细节。使用等效的材料属性（如弹性模量、剪切模量、泊松比）描述复合材料的性能，通常为正交各向异性或完全各向异性材料。

此建模方式适用于：

1）大型复合材料结构的宏观力学分析（如航空航天结构、风力叶片、舰船外壳等）；

2）应力、变形或振动等整体性能评估，而不是局部失效分析；

3）快速评估复合材料在复杂载荷工况下的整体响应等。

1.3 层合板建模

层合板建模专门用于复合材料层合板结构，将多个复合材料层（ply）叠加，以纤维方向、厚度、材料属性为参数定义各层。每一层的行为可以通过经典层板理论描述，可以定义纤维方向、层间厚度、损伤等。

在 Abaqus 中可以通过“复合材料铺层 (Composite Layup)”功能创建多层复合材料结构。

 

此建模方式适用于：

1）多层复合材料结构的性能分析（如碳纤维-环氧树脂层合板）；

2）涉及纤维取向、铺层顺序优化的场景；

3）壳结构失效（如局部失稳、层间脱粘、分层损伤）分析等。

1.4 离散增强材料建模

离散增强材料建模是一种显式地将增强材料（如纤维或编织材料）作为离散单元建模，并将它们嵌入到基体中，描述增强材料的某些特殊行为。如钢筋混凝土，含有帘线和带束层的橡胶轮胎等。

 

这种方法适用于构建复杂增强材料的几何，并假设基体和增强材料界面完全粘合。适用于：

1）长纤维复合材料中各纤维束的滑移和破坏分析；

2）纤维编织/缠绕材料的局部或整体分析；

3）高复杂度的异构材料增强模拟（如3D编织复合材料、蜂窝夹芯结构等）等。

2. 如何选择合适的建模技术？

选择建模技术时，应根据分析目的和计算资源限制来决定：

1）如果研究的是微观力学行为（如纤维脱粘、基体开裂、界面破坏等） → 使用微观建模。

2）如果研究复合材料的整体性能、变形、屈曲等 → 使用宏观建模。

3）如果研究多层复合材料壳体的铺层设计、层间损伤等 → 使用层合板建模。

4）如果需要离散化地显式表示纤维或增强材料行为（如编织增强材料） → 使用离散增强材料建模。