Abaqus复合材料(3) – 层合板建模

在Abaqus中，复合材料的层合板建模方式通常使用“复合材料铺层 (Composite Layup)”工具创建。为了满足不同结构类型、分析场景和计算精度的需求，Abaqus 提供了三种建模方法：1）常规壳 (Conventional Shell)；2）连续壳 (Continuum Shell)；3）连续实体 (Solid)。

 

这三种方法在几何建模方式、单元类型、厚度方向的变形处理、计算效率和适用场景等方面各有特点。

1. 创建方法

常规壳复合材料的建模过程详见《Abaqus 复合材料(2) – 常规壳复合材料建模过程》。

 

连续壳的建模方式与常规壳类似，但是连续壳需要创建三维几何模型。

 

连续实体的建模方式与连续壳类似，但需要注意，对于连续实体铺层方法，没有提供默认坐标系，需要手动创建。

 

2. 特点与不足

2.1 常规壳

常规壳建模方法是一种基于经典壳理论的复合材料建模方法。其核心思想是将复合材料层合板建模为一系列薄层，同时忽略厚度方向的复杂剪切变形。每一层可以定义独立的材料属性和厚度，但是在分析过程中只考虑面内应力和弯曲应力。

该方法使用二维壳单元进行离散化，常用的单元包括 S4、S4R、S8R等。其中，S4R为4节点壳单元，使用缩减积分且计算稳定性强，是最常用的壳单元类型。该建模方法适用于：

1）薄壳结构：即厚度远小于其他尺寸的薄板或薄壳结构，如飞机机翼、船体、汽车外壳等；

2）全局响应分析：适合对结构的整体变形、应力分布及屈曲特性的快速计算；

3）高计算效率：由于忽略了厚度方向的应力分布，计算效率极高，适合大型复杂薄板结构的全局行为研究。

但是，该方法无法准确模拟厚度方向的剪切效应，因此当存在显著的层间剪切变形时，其适用性会受到限制。

2.2 连续壳

连续壳建模方法与常规壳相比，它能够更准确地描述复合材料厚度方向的剪切变形，同时仍保持较高的计算效率。该方法本质上是一种三维单元模型，但其几何形状和计算逻辑接近传统的壳单元，适用于中等厚度的复合材料建模。

该方法使用三维网格离散化，使用连续壳单元，包括 SC6R（6节点线性单元）和 SC8R（8节点缩减积分单元）。该建模方法适用于：

1）中等厚度的复合材料结构：可以模拟层间剪切效应显著但结构较薄的结构；

2）更适合分析厚度方向的应力和变形情况，可以获取沿厚度方向更准确的结果；

3）与常规壳单元相比，能更准确地模拟接触问题。

但是，该方法也具有局限性，例如：

1）不能应用于超弹性和泡沫材料模型；

2）对于非常薄的壳来说，连续壳单元收敛性比较差；

3）在 Abaqus/Explicit 中，连续壳单元的厚度方向尺寸（尺寸较小）将影响稳定时间增量。

2.3 连续实体

连续实体建模方法完全基于三维实体单元，将每一层复合材料建模为一个独立的实体层。它可以全面捕捉复合材料厚度方向的应力分布与剪切变形，是最精确的建模方法，适用于厚的复合材料结构的精确分析。

该建模方法使用常用的实体单元，包括：C3D8R、C3D20R等。适用于：

1）当不能忽略法向应力时；

2）当需要求解精确的层间应力，例如对于复杂载荷作用或者较为复杂的几何模型，如果希望研究其局部区域的应力。

但是，连续实体建模的计算成本较高，尤其是在复合材料层数较多的情况下，可能需要大量网格划分和较长的计算时间。此外，该方法仅限于在 Abaqus/Standard 中使用，不可用于 Abaqus/Explicit 中。

3. 如何选择？

多数情况下，在模拟复合材料截面时，需要使用常规壳或连续壳单元。

1）如果需要分析的是薄壁结构（如飞机机翼、汽车车身等），且重点是关注整体变形和屈曲问题，建议选择常规壳 (Conventional Shell)，因为它计算效率最高，能够快速分析大规模模型。

2）如果需要分析的是中等厚度结构，并且层间剪切变形较为重要（如采用厚壁复合材料的容器），推荐使用连续壳 (Continuum Shell) 方法，以获得更精确的结果。

3）无法忽略法向应力或需求求解精确的层间应力，使用连续实体 (Solid) 方法。