ABAQUS复合材料分析：模型建立与分析的高效技巧


参考资源链接：[ABAQUS 2016分析用户手册：卷II](https://wenku.csdn.net/doc/6412b701be7fbd1778d48c01?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ABAQUS复合材料分析基础

## 1.1 ABAQUS软件简介

ABAQUS是一款广泛应用于工程模拟的高级有限元分析软件，其在处理复合材料分析方面具有强大的功能。ABAQUS不仅能够准确模拟复杂材料的力学行为，还能够处理多物理场的耦合问题，这使得它在航空航天、汽车制造、土木建筑等领域得到了广泛应用。

## 1.2 复合材料的特点与应用

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组合而成，具有高比强度和高比刚度等特点。它们在工程上的应用范围十分广泛，如航空器的机体、飞机的机翼、高速列车等。复合材料分析需要考虑材料的各向异性、层间剪切和层间剥离等问题，这对分析软件提出了更高的要求。

## 1.3 复合材料分析的意义

准确地分析和评估复合材料的力学性能对于工程设计至关重要。通过ABAQUS进行复合材料分析，工程师可以优化材料的选择和结构设计，预测材料在不同载荷下的响应，评估可能出现的损伤和失效模式，从而提高产品设计的安全性、可靠性和经济性。

# 2. 复合材料模型的构建

在理解复合材料模型构建的重要性之前，我们需要认识到精确地描述和模拟复合材料的行为对于现代工程问题来说是至关重要的。复合材料通过将两种或两种以上的不同材料相结合，创造出具有独特力学、热学、电学性质的新材料，这使得它们在航空航天、汽车制造、体育用品等众多领域中得到了广泛的应用。因此，构建准确的复合材料模型，不仅可以提高仿真分析的准确性，还能为工程师提供深入理解复合材料行为的工具。

## 2.1 复合材料的理论基础

### 2.1.1 材料的层合板理论

层合板理论是理解和建模复合材料层合结构的基础。层合板理论通过将层合结构划分为若干层，每层都有其独特的材料属性和取向，从而使得对整个结构的行为进行评估成为可能。层合板的力学性能由单层板的刚度矩阵、层间的应力和应变关系、以及层合板的整体刚度矩阵来描述。在数学上，这涉及到矩阵运算和材料力学的知识。例如，假设一个由N层组成的层合板，其第i层的刚度矩阵为 \( [Q]^{(i)} \)，则整个层合板的刚度矩阵 \( [Q] \) 可以通过以下方式求得：

[Q] = \sum_{i=1}^{N} [Q]^{(i)} z_i

其中 \( z_i \) 是第i层与板中性轴的距离。这个公式说明了如何通过计算各层对总刚度矩阵的贡献来得到整个层合板的刚度特性。

### 2.1.2 正交各向异性材料特性

正交各向异性材料是复合材料的一种特殊类型，其中材料的性质沿三个正交方向各不相同。这种材料在复合材料建模中具有重要意义，因为大多数复合材料（如碳纤维增强塑料）表现出正交各向异性特性。分析正交各向异性材料的力学行为需要考虑材料在各个正交方向上的弹性模量、剪切模量和泊松比等参数。以ABAQUS这类仿真软件为例，当定义材料属性时，需要为x、y、z三个方向指定不同的弹性模量和剪切模量值。

## 2.2 ABAQUS中复合材料的定义

### 2.2.1 材料属性的设置

在ABAQUS中定义复合材料的材料属性是构建复合材料模型的第一步。ABAQUS提供了多种方式来定义材料属性，包括正交各向异性材料模型。用户需要输入与材料相关的力学性能参数，例如弹性模量、剪切模量、热膨胀系数等。在ABAQUS的材料模块中，可以创建新材料并为其赋予适当属性。例如，定义一个正交各向异性材料可能涉及到以下步骤：

1. 在ABAQUS中打开材料编辑器。
2. 创建新材料并为其命名。
3. 选择适当的材料模型（如正交各向异性材料模型）。
4. 输入材料在三个正交方向上的弹性模量、剪切模量等属性。

### 2.2.2 层合结构的创建

层合结构是复合材料中常见的形式，由多层不同方向和材料组成的面板。在ABAQUS中创建层合结构，需要定义每层的材料属性、厚度以及在层合板中的相对位置。层合结构的创建可以通过ABAQUS的层合编辑器进行，用户可以为每一层指定不同的材料属性，并且可以为每一层指定一个特定的放置方向。这使得用户可以精确地模拟复合材料的实际结构。下面是一段代码示例，展示了如何在ABAQUS的输入文件中创建一个包含两层的层合结构：

*Layer, orientation=1, material=Material-1
0., 10.0
*Layer, orientation=2, material=Material-2
10.0, 10.0

在这个示例中，定义了一个两层的层合结构，其中Material-1和Material-2分别是两层使用的材料。数字0.和10.0分别指定了每层的起始和终止位置（单位是毫米），而orientation参数用于指定材料的放置方向。

## 2.3 网格划分与质量控制

### 2.3.1 网格类型的选择

在ABAQUS中进行复合材料分析时，选择适当的网格类型对于保证分析精度至关重要。网格类型包括四边形和三角形等基本单元类型，以及二次和三次单元等高级单元类型。对于复合材料模型，四边形单元因其良好的形变控制能力而被优先选择。在复杂模型中，可能还需要使用混合网格，将不同类型的单元组合起来以适应不同的模型特征。

### 2.3.2 网格密度对分析结果的影响

网格密度直接影响仿真分析的精度和计算成本。网格越细，计算模型越接近真实情况，但同时计算所需的资源和时间也越多。在ABAQUS中，用户需要根据模型的复杂程度和分析的目的来决定合适的网格密度。一个常用的策略是在重点关注区域使用更细的网格，而在影响较小的区域使用较粗的网格。以下是定义不同网格密度的一个简单例子：

*Element, type=S4R
1, 10, 11, 12, 13
2, 14, 15, 16, 17

在此示例中，使用了四节点曲壳单元（S4R）来建立网格，单元类型后跟随的节点编号表示了网格在模型中的划分。在实际操作中，应结合模型的具体要求与仿真目标来设置网格密度。

通过深入理解这些理论基础和技术细节，工程师可以构建出既准确又有效的复合材料模型，为后续的前处理、分析、后处理等步骤奠定坚实的基础。

# 3. 复合材料分析的前处理

## 3.1 载荷与边界条件的定义

### 3.1.1 静力分析中的载荷类型

在进行复合材料的静态分析时，载荷的定义需要根据实际工程问题进行细致的规划和设定。常见的载荷类型包括力载荷、压力载荷、热载荷、位移载荷以及分布式载荷等。

力载荷通常作用于点或小面积上，可以是集中力或者分布力的形式。在复合材料分析中，需要特别注意力的大小、方向以及作用点的位置，因为材料的各向异性可能导致不同的力学响应。

压力载荷是指作用于面上的均匀或非均匀载荷。在实际应用中，压力载荷可以模拟大气压力、液体压力等。

热载荷则会考虑材料的热膨胀系数，从而产生热应力。对于复合材料，热载荷引起的变形和应力分布可能与材料的正交各向异性密切相关。

位移载荷是对模型施加一个预先定义的位移边界条件，如固定支撑的固定端等。

分布式载荷则是作用于较大面积上的载荷，例如在模型的某个区域内施加一个均匀或非均匀的力分布。

在定义这些载荷时，不仅要考虑它们的数值大小，还要考虑它们的施加方式和作用时间。在ABAQUS中，载荷可以通过载荷步（Load Step）进行管理，从而模拟真实的加载过程。

### 3.1.2 边界条件的设置技巧

边界条件是确保分析结果准确性的关键因素之一，它们定义了模型在某些方向上的运动约束。在复合材料分析中，合理设置边界条件不仅可以模拟实际的约束条件，还可以减少不必要的计算成本。

常见的边界条件包括固定约束（如固定支撑）、旋转约束、对称约束、以及与模型接触表面相关的约束等。在设定时，需要根据问题的物理情境和分析目标来选择恰当的边界条件类型。

固定约束一般用于模拟完全刚性支撑，其边界上的所有节点在所有自由度上都被固定。而旋转约束则允许沿某一轴的旋转运动，但限制其他方向的移动。

对称约束可以大大减少模型的尺寸，提高计算效率。在这种情况下，可以只建模一半或部分模型，并使用对称约束来模拟另一侧的边界条件。

接触与连接的处理在复合材料分析中也尤为重要，特别是当涉及到复合材料与其它结构相接触或者连接时。合理的接触与连接设置能够模拟复合材料结构的实际工作状态，如胶接、螺栓连接、焊接等，这对于获得准确的应力分布和位移响应至关重要。

在设置边界条件时，还应当考虑载荷与边界条件的相互作用，以及可能出现的局部应力集中问题。通过合适的边界条件设置，可以保证分析结果的合理性和可信赖度。

## 3.2 接触与连接的处理

### 3.2.1 接触面的创建与优化

在复合材料结构分析中，接触问题的模拟是一个复杂但不可或缺的环节。接触问题的正确模拟可以影响到整个结构分析的准确性和可靠性。ABAQUS 提供了多种接触模拟方法，包括小滑移接触、有限滑移接触、摩擦接触以及自接触等。

创建接触面首先需要识别出可能发生接触的表面，并在这些表面之间定义接触对。在ABAQUS中，接触对是由主面和从面两部分组成的。主面是定义接触的“主动”表面，而从面则是与主面发生接触的“被动”表面。

接触问题的模拟通常涉及到接触刚度、摩擦模型、穿透容差等参数的设置。接触刚度过高可能会导致收敛困难，而过低则可能导致不真实的穿透。因此，选择合适的接触刚度至关重要。

摩擦模型的选择同样重要。ABAQUS支持多种摩擦模型，包括无摩擦、库仑摩擦和罚函数摩擦等。无摩擦适用于光滑的接触表面，库仑摩擦适用于粗糙表面的接触模拟，而罚函数摩擦则是一种常用的数值方法。

在创建接触面的过程中，优化是一个不可忽视的环节。接触面的优化可以涉及网格密度的调整、接触对的自动检测和修正以及接触属性的微调。为了确保接触的正确处理，ABAQUS会自动在计算过程中对接触对进行监控，并在必要时进行接触状态的更新。

### 3.2.2 连接器的选用与配置

复合材料结构在连接不同部件时，连接器的选用和配置也是一项重要工作。连接器可以模拟实际结构中的螺栓、铆钉、焊缝等连接方式，它们在模拟中通常被视为刚性或弹性连接。

选用合适的连接器类型对于保证模型分析的准确性至关重要。ABAQUS提供了广泛的连接器类型，包括但不限于滑移连接器、铰接连接器、刚性区域连接器等。每种连接器都适用于不同类型的连接情况。

在配置连接器时，需要设定连接器的几何位置、方向以及刚度等参数。这些参数的正确设置能够确保连接器的行为与实际连接方式保持一致。

例如，滑移连接器可以模拟表面之间的滑移或分离，而铰接连接器则适用于模拟只允许旋转的连接状态。在进行配置时，需要根据实际工程问题中的连接特性来选择合适的连接器，并设置相应的参数。

此外，连接器的配置还需要考虑材料的各向异性特性，因为这将影响到连接处的应力分布和位移响应。连接器的设置同样影响到分析的收敛性和结果的准确性。

## 3.3 分析步与输出请求的配置

### 3.3.1 分析步骤的规划

在ABAQUS中，分析步骤（Step）是定义分析类型和控制整个分析过程的框架。复合材料分析可能包含多种类型的分析步骤，如静态、动态、温度分析等。分析步骤的规划需要根据分析目的和复合材料的特性进行合理安排。

在静态分析中，分析步骤主要关注材料在静止载荷下的响应。分析步骤通常会指定载荷的应用方式和时间历程。在规划分析步骤时，需要确保载荷的应用方式与实际工况相符。

动态分析则可能需要考虑材料的惯性效应和阻尼特性。动态分析步骤需要定义分析的时间历程，以及可能涉及的冲击载荷或周期载荷的描述。

温度分析步骤则关注复合材料在温度变化下的响应。温度分析需要定义温度场的变化规律，以及材料热膨胀、热应力等特性。

规划分析步骤时，还需考虑步长的选择。步长太大可能导致结果不够精确，步长太小则会导致计算时间过长。对于非线性分析，步长的选择尤为重要。

### 3.3.2 输出结果的自定义设置

在复合材料分析中，输出请求（Output Request）用于控制所需结果数据的输出类型和输出频率。合理的输出请求配置能够有效地获取分析过程中所需的信息，同时减少不必要的数据存储和处理时间。

输出请求包括各种类型的场输出（Field Output）和历史输出（History Output）。场输出可以提供模型在特定时间点或时间步长上的应力、应变、位移等信息。历史输出则提供模型在某一点或某一路径上的数据变化情况，如某一点的位移随时间的变化。

在ABAQUS中，可以自定义输出请求，选择需要的变量输出。例如，可以选择输出应力场、应变场或者自定义的场变量。对于需要重点分析的区域，可以设置更高的输出频率以获取更多的细节信息。

此外，还可以利用ABAQUS的输出变量对话框自定义特定变量的输