【复材仿真】先有个结果再考虑准不准
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了铺层复合材料结构仿真中需要考虑的因素和仿真流程，强调了通用有限元软件在仿真过程中的重要性。文章指出，虽然通用软件是必备工具，但并非唯一工具，还需要结合复合材料软件来完善仿真流程。文章还详细描述了仿真流程中的关键步骤，包括材料模型的定义、边界条件的设置以及求解和后处理。通过实例展示了如何使用通用有限元软件进行铺层复合材料结构的仿真，并总结了仿真过程中的注意事项和可能遇到的问题。本文旨在为初步接触复合材料的工程师提供参考，帮助他们更好地理解和应用仿真技术。
时下复合材料产业发展迅速，引起了各行各业广泛关注。复合材料性能优异，但产品的设计、仿真和制造过程都与金属材料有所差异，而且三个过程结合的更紧密。大部分新开展复合材料结构研究工作的企业会不约而同地选择让现有的结构工程师兼任复合材料产品的研究课题，这对于不太了解复合材料而且没有充足学习时间的工程师来说，任务比较艰巨。
复合材料种类和成型方式很多，本文将针对最常见的铺层复合材料结构，介绍其仿真过程中要考虑的因素和仿真流程，为初步接触复合材料的工程师提供参考。
1 仿真流程概述
从仿真角度来说，有限元方法最为主流。通用有限元软件是复合材料结构仿真的必备工具，但不应该是唯一工具。铺层复合材料结构仿真多是基于层合板理论，仿真中使用2D壳单元。如果材料模型按线弹性本构关系考虑，需要分别输入单张铺层（单层板）和叠层结构（层合板）的性能参数。单层板参数至少包括6个刚度参数（在某些软件中如果使用实体壳单元，需要输入9个刚度参数）和6个强度参数；层合板需要包括单层厚度、铺层方向、铺层层数等参数。以上这些工作都可以在通用有限元软件中完成，后续的求解和后处理与金属材料没有太大差异，但是在整个仿真过程中存在如下问题：
1）通过专门的实验能够获得单层板的部分参数，但层间剪切模量和对应的泊松比没法得到，而且参数获取成本高、获取周期长；
2）单层板中纤维方向和非纤维方向有明显的性能差异，在非纤维方向应力-应变呈明显的非线性关系；
3）铺层复合材料结构中裂纹的萌生和扩展是一个渐进的过程，某一层的破坏不能判断结构是否完全失效；
4）在曲面上铺层时纤维方向随曲率变化，不同位置的纤维方向没法准确给出，即不能考虑工艺的影响。
现有的专用复合材料软件都是针对以上几个方面中的一部分或几部分来帮助有限元软件构建更真实和更准确的材料模型，具体如下图1所示。
图1 铺层复合材料结构仿真流程
MSC公司可以为铺层复合材料结构仿真提供完整的解决方案，使用的工具如下：
1）有限元软件——MSC Nastran
2）复合材料软件——Digimat
3）铺层工艺软件——Patran/Laminate Modeler
对于初学者，建议先掌握有限元软件中的复合材料仿真流程，然后再结合复合材料软件完善仿真流程。下面以MSC Nastran为例，介绍铺层复合材料结构的仿真流程。
2 铺层复合材料结构仿真简例
2.1 网格模型
网格划分过程与金属材料结构没有任何差别，此例中的网格模型如图2所示。
图2 网格模型
2.2 材料模型
材料模型的定义过程与金属结构有本质区别。先定义单层板的材料参数，然后定义层合板参数，最后将层合板属性赋给对应的单元，具体流程如图3-图5所示。
图3 定义单层板材料参数
图4 定义层合板参数
图5 赋予单元属性
赋予单元属性时注意指定材料方向，用作层合板中铺层方向的参考。如不指定材料方向，则会选择每个单元的单元坐标系的X轴作为对应单元的材料方向，很容易导致相邻单元的纤维方向没有任何连续性，与事实不符。上图中显示的定义方式将会使用全局坐标系的X轴在每个单元面上的投影作为材料方向。如果想使用其它方向作为材料方向，可以事先定义局部坐标系或者直接通过向量的方式进行定义。
2.3 边界条件
本例旨在演示流程，只对结构进行简单约束和加载。在结构的一端施加全约束，然后在另外一端的每个节点上施加100牛顿的力，具体如下图6所示。
图6 结构约束和载荷
2.4 求解及后处理
设置好边界条件后，直接提交静力分析。仿真结束后分别显示层间失效指数和单层失效指数，如图7和图8所示。其中失效指数小于1不会发生失效，等于1是临界状态，大于1会发生失效。
图7 层间失效指数云图
图8 单层失效指数云图
从图中可以看出层间失效指数最大值为0.029，单层失效指数为0.558。这说明此结构在上述约束和加载形式下发生单层失效的可能性比层间失效的可能性更大。在上述边界条件下，结构的安全系数约为1.79（失效指数的倒数）。
3 总结
无论是简单研究还是深入研究，铺层复合材料结构的仿真过程都需要使用通用有限元软件。因此对于想要做这方面研究工作的工程师来说，先掌握通用有限元软件中的仿真流程对理解铺层复合材料结构特点和学习完整仿真流程都有一定帮助作用。
