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仿真笔记——Abaqus在飞机复合材料中的应用

CAE仿真学社

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复合材料有许多特性：

Ø 制造工艺简单

Ø 比强度高，比刚度大

Ø 具有灵活的可设计性

Ø 耐腐蚀，对疲劳不敏感

Ø 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。在下一代飞机设计中，复合材料的大量应用对分析技术提出新的挑战。例如在某客机各种材料的使用状况，其中复合材料的比例约为50%。

借助于多层壳、实体壳及实体单元可以建立复杂的复合材料模型，这些单元允许叠加各向同性或各向异性材料层，材料方向允许变化。Abaqus提供的失效准则有最大应变失效准则、最大应力失效准则和Tsai—Wu失效准则等，用户也可以通过用户子程序来定义自己的失效准则。Abaqus的复合材料功能特别适合于大量应用复合材料的新型飞行器。

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。

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。

复合材料失效问题

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，纤维拉伸开裂，纤维屈曲和压缩失效，基体拉伸和剪切开裂，基体拉伸和剪切碾压。

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。

Abaqus中的复合材料失效准则主要有：

Ø MSTRS 最大应力理论失效准则

Ø TSAIH Tsai-Hill理论失效准则

Ø TSAIW Tsai-Wu理论失效准则

Ø AZZIT Azzi-Tsai-Hill理论失效准则

Ø MSTRIN 最大应变理论失效准则

复合材料碰撞破坏模块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：

Ø 压碎材料定义，描述材料的压碎响应；

Ø 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。

Cohesive技术

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。

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。

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。

Abaqus中复合材料其他分析功能

复合材料热固化成形

复合材料热固化的过程，可以认为是复合材料预浸料经历一系列温度变化的热固耦合过程。典型的温度变化过程为：由室温升温30分钟到185℃，保持1个小时，继续升温到195℃，保持2个小时，然后降温到70℃以下。整个过程可以采用热固耦合分析，由于基体材料和纤维增强材料的热膨胀系数不一样，一系列的温度变化导致热应力产生，致使结构发生翘曲变形。

下图表示的是采用Abaqus中的热固耦合功能分析某复合材料结构在热固化后结构发生变形。