有限元复合材料模型的建模流程是怎样的？

复合材料大量应用于现代工业设计，其在汽车，航空工业的使用也对有限元模型提出新的要求。以汽车工业为例，玻璃丝增强塑料广泛用于车壳制造，碳陶复合材料广泛应用于刹车片制造。这两种材料都属于所谓的颗粒复合材料，微观上是由在基材内混入颗粒，其宏观材料模型的模拟方式基本可以沿用经典的方法。而另一种复合材料，层状复合材料，由多层不同性质的材料叠加而成，在有限元模型上更复杂。这次就来说说在有限元建模上处理的流程。

层状复合材料在建模上可以分为三种方式：基于区域的壳模型，基于层的壳模型，和基于层的实体模型。本质上所有模型都为了模拟类似下图中的层状材料。

在经典的区域壳模型中，一个壳结构被分为多个区域，每个区域代表一种层组合。同一层材料可以存在于多个区域，但是在不同区域的定义中，该层材料依然要被重复定义一次。这种建模方式描述的是复合材料模型最终的(在加载时）的状态。所以这种模型的建模流程大致是。

　　１、生成壳单元。

　　２、指定单元材料坐标。

　　３、指定模型中所有用到的各层材料的宏观材料材料模型。常见的如平面应力各向同性材料，或者正交各向异性材料等。

　　４、指定模型各区域的层叠模型。每个区域有独一的层叠组合。同一层材料可能出现在不同区域。各区域的模型包括该区域层的组合，该区域的总厚度等。

　　５、指定各单元所在的区域及对应的层叠模型。

　　６、生成边界条件。

　　７、加载求解。

以上区域模型的优点，是模型建成后一目了然：结构有不同材料的各部位由不同材料模型表示。缺点是建模任务随着层的增多而快速增加。有时候仅仅为了加入一层不规则形状的材料，工程师要在模型中加入多个模型以对应新一层产生的各种层叠组合。为了解决这种问题，后来有了基于层的壳模型。

区域模型描述模型的最终形态，而层模型描述的复合材料的生成过程。这和复合材料的生产过程是对应的。复合材料的生产，是通过各层材料的切割与层叠复合。而层模型的描述方式也是基于这个过程。其建模流程大致是。

　　１、生成壳单元。

　　２、指定单元材料坐标。

　　３、指定模型中所有用到的各层材料的宏观材料材料模型。这前面三步和前一种方法是一样的。

　　４、生成（切割）各层。各层材料的形状对应的工业制造中该层材料的切割形状。前处理软件通过这些形状在求解器来生成不同区域的材料属性。所以在这一步建模过程中制定的参数基本上是工业制造流程中需要指定的参数：各层的形状，各层厚度，各层的加强纤维方向等。

　　５、把上一步生成的各层组合起来生成层叠模型。

　　６、对每一种层叠组合生成对应的层叠材料。

　　７、制定各单元的层叠材料。

　　８、生成边界条件。

　　９、加载求解。

以上两种都是壳模型。其区别仅在于建模过程，在求解器内部各单元对应的材料模型是一样的。无论某区域的材料层叠情况如何，各区域总是由一层壳单元来描述。其在厚度方向的内力都是通过基于弥散模型而简化的某种壳单元来计算。为了更精确描述复合材料在厚度方向的变形，有时候我们需要实体模型。这就是基于层的实体模型。其建模过程是。

　　１、生成实体单元。每一层复合材料由一层实体单元描述。

　　２、指定单元材料坐标。

　　３、指定模型中所有用到的各层材料的宏观材料材料模型。

　　４、对每一种层定义对应的实体材料。

　　５、制定各单元的实体材料。

　　６、生成边界条件。

　　７、加载求解。

这种实体描述更精细地对应复合材料的三维状态。但由于各层材料普遍很薄，这种模型往往要使用大量的实体单元。所以仅适用于需要精细分析的复合结构节点等部位。

本文转自【有限元科技】