四Abaqus在复合材料领域的优势
4.1 复合材料介绍
4.1.1 复合材料的应用
复合材料有许多特性：
1、制造工艺简单
2、比强度高，比刚度大
3、具有灵活的可设计性
4、耐腐蚀，对疲劳不敏感
5、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。复合材料的大量应用对分析技术提出新的挑战。
4.1.2 复合材料的结构
复合材料是一种至少由两种材料混合而成的宏观材料，其中的一种材料被称作基体，其它的材料称作纤维。其中纤维可以包含很多不同的
形式：离散的宏观粒子，任意方向的短纤维，规则排列的纤维和织物。
1)单向纤维层合板----冲击分析
2)编织复合材料---- 挤压分析
3)蜂窝夹心复合材料----不可见冲击损伤分析
基体和纤维的存在形式以及材料属性对于复合材料的力学行为有着很大的影响。改变纤维和基体的属性目的就是在于生成一种复合材料具有如下性质：
1）低成本：原型，大规模生产，零件合并，维修，技术成熟。
2）期望的重量：轻重量，比重分配合理。
3）改进的强度和刚度：高强度/高刚度比。
4）改进的表面属性：良好的耐腐蚀性，表面抛光性好。
5）期望的热属性：较低的热传导性，热膨胀系数较低。
6）独特的电属性：具有较高的绝缘强度，无磁性。
7）空间适应性：大部件，特殊的几何构型。
4.1.4 复合材料的有限元模拟
根据不同的分析目的，可以采用不同的复合材料模拟技术：
1）微观模拟：将纤维和基体都分别模拟为可变形连续体。
2）宏观模拟：将复合材料模拟为一个正交各向异性体或是完全各向
异性体。
3）混合模拟：将复合材料模拟为一系列离散、可见的纤维层合板。4）离散纤维模拟：采用离散单元或是其它模拟工具进行模拟。5）子模型模拟：对于研究加强纤维周围点的应力集中问题比较有效。
微观模拟：纤维-基体的单胞模拟
混合模拟：层合板的混合模拟
Abaqus中复合材料的单元技术
Abaqus中复合材料的单元技术主要为三种：分层壳单元、分层实体单元以及实体壳单元。
分层壳单元
单元类型：S4, S3R；
复合材料截面属性的定义：* SHELL SECTION, COMPOSITE
复合材料定义：各向同性、正交各项同性、层合板、工程常数以及各向异性等。
特点：可以准确地考虑横向剪切应力
?实体单元
单元类型：C3D8I, C3D6
复合材料截面属性的定义：*SOLID SECTION, COMPOSITE
复合材料定义：各向同性、正交各项同性、工程常数以及各向异性等。
特点：可以用实体单元来模拟考虑厚度方向的复合材料分析
? 实体壳单元
单元类型：SC6R, SC8R；
复合材料截面属性的定义：*SHELL SECTION, COMPOSITE，STACKING DIRECTION
复合材料定义：各向同性、正交各项同性、层合
板、工程常数以及各向异性等。
特点：实体壳单元建模采用实体模型，但响应类似于壳单元，可以更加精确的模拟复合材料层合结构厚度方向的响应。
损伤失效模拟
Abaqus可以对复合材料的纤维和基体的材料以及接触界面进行渐进损伤和失效分析。渐进损伤和失效对于纤维和基体的失效模式预测：1）Hashin Criteria；
2）UMAT (Abaqus/Standard)；
3）VUMAT (Abaqus/Explicit)。
胶结层合板发生分层失效：
1）Virtual Crack Closure Technique (VCCT)；
2）Cohesive Elements；
3）Cohesive Contact。
4.2 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。应用该模块可以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，可以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。
CMA的优势：
1 与制造过程直接相类似的壳单元铺层定义；
2 可在Layup模块中直接加入CMA铺层，Layup模块中直接定义了铺层的叠放顺序。在一个Layup模块中可重复使用铺层定义；
3 对复杂铺层的模拟；
4 单元法向不连续或几何模型包含表面分岔，铺层的应用方向与单元法线方向不同；
5 通过复合材料模块的树状结构，可以方便查看复合材料的铺层模型；
6 CMA仿真提供平面和立体裁片型结果——准确查看铺设属性，检查铺层的可制造性；
7 在CMA模块中，Ply Layup模型向单元属性的转换非常方便——允许对铺层模型的快速改变，并继续进行随后的分析；允许应用立体裁剪引发的纤维空间角度；全局的铺层辨识使得可以铺层为单位查看结果。总之：CMA使得对复合材料模型的生成、修改和表示更加简单。
4.3 Abaqus中复合材料的高级分析技术
4.3.1 纤维增强复合材料的渐进损伤（Hashin’s 损伤理论）
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:
1）纤维拉伸开裂；
2）纤维屈曲和压缩失效；
3）基体拉伸和剪切开裂；
4）基体拉伸和剪切碾压。
渐进损伤中典型材料响应
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。
冲击力的预测损伤区域
4.3.2 失效理论
失效准则可以分成两类：独立式和交互式（或多项式）。前者应用起来简单，可以给出失效模式，但是忽略了失效机理中应力之间的相互影响。后者考虑了失效机理中应力之间的相互影响，但是并不给出失效模
式。
Abaqus中的复合材料失效准则主要有：
?MSTRS 最大应力理论失效准则
?TSAIH Tsai-Hill理论失效准则
?TSAIW Tsai-Wu理论失效准则
?AZZIT Azzi-Tsai-Hill理论失效准则
?MSTRIN 最大应变理论失效准则
Distribution of material damage at maximum load
4.3.3 Abaqus/Explicit模拟复合材料冲击
Abaqus的损伤模型只能用于具有平面应力形式的单元：平面应力，膜和壳单元，而用户自定义材料子程序可以将该功能扩展到其他应力状态的单元（3D）。
Abaqus的复合材料损伤VUMAT，包含两个可用程序：
1）单向纤维VUMAT（扩展内置功能以致可以包含3D）
2）织物VUMAT
?单向纤维VUMAT
初始假设是弹性应力/应变关系为正交各向异性损伤弹性，损伤理论采用3维Hashin准则。
对于该子程序，必须指定19个用户材料常数：三个主方向的弹性模量：E11, E22, E33；泊松比：n12, n13, n23；剪切模量：G12, G13, G23；剪切强度：S12, S13, S23；每个主方向的拉伸和压缩强度X1t, X1c, X2t, X2c, X3t, X3c。
编制复合材料VUMAT
该VUMAT假设纤维之间都是相互垂直的（不存在褶皱），采用局部笛卡儿坐标系表示应力-应变之间的本构关系，将基向量作为纤维方向。织物加强铺层被模拟为均一的正交各向异性弹性材料，纤维和基体开裂能导致发生渐进刚度退化，由剪切载荷能引发塑性变形。
Abaqus内置了该用户子程序，对于该子程序，必须指定24个用户材料常数：
纤维1方向和2方向的弹性模量：E 1+/-, E 泊松比：n 2+/-
12+, n 剪切模量：G 12-
1+/-, G 剪切强度：S
2+/-
拉伸和压缩强度：X 1+/-, X 剪切平衡参数：a 2+/-
12,
d 12max
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：
一个是CZone压碎材料定义，描述材料的压碎响应；
一个是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的一个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。
4.3.4 Abaqus中复合材料分层破坏的模拟
为了降低层合板复合材料结构的成本，考虑大结构的整体化胶接。主结构中，需要在铺层之间采用胶接传递层间载荷。损伤容限要求胶接接触面可以承受所需承受的载荷。
纤维增强复合材料有高比强度、高比刚度、可设计性好等优点，但其最大的弱点是容易产生层间分层，导致结构的刚度和强度急剧下降，疲劳性能恶化。如何模拟复合材料层间破坏是需要重点考虑的问题。
Abaqus中复合材料分层破坏的模拟有两种方式：VCCT（虚拟裂纹闭合技术）和Cohesive技术。
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。
Cohesive 技术
加强梁和蒙皮间的有效分层
初始开裂区域
四Abaqus在复合材料领域的优势 4.1 复合材料介绍 4.1.1 复合材料的应用 复合材料有许多特性： 1、制造工艺简单 2、比强度高，比刚度大 3、具有灵活的可设计性 4、耐腐蚀，对疲劳不敏感 5、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。复合材料的大量应用对分析技术提出新的挑战。
4.1.2 复合材料的结构 复合材料是一种至少由两种材料混合而成的宏观材料，其中的一种材料被称作基体，其它的材料称作纤维。其中纤维可以包含很多不同的 形式：离散的宏观粒子，任意方向的短纤维，规则排列的纤维和织物。 4.1.3 典型的复合材料 1)单向纤维层合板----冲击分析
2)编织复合材料---- 挤压分析 3)蜂窝夹心复合材料----不可见冲击损伤分析
基体和纤维的存在形式以及材料属性对于复合材料的力学行为有 着很大的影响。改变纤维和基体的属性目的就是在于生成一种复合材料具有如下性质： 1）低成本：原型，大规模生产，零件合并，维修，技术成熟。 2）期望的重量：轻重量，比重分配合理。 3）改进的强度和刚度：高强度/高刚度比。 4）改进的表面属性：良好的耐腐蚀性，表面抛光性好。 5）期望的热属性：较低的热传导性，热膨胀系数较低。 6）独特的电属性：具有较高的绝缘强度，无磁性。 7）空间适应性：大部件，特殊的几何构型。 4.1.4 复合材料的有限元模拟 根据不同的分析目的，可以采用不同的复合材料模拟技术： 1）微观模拟：将纤维和基体都分别模拟为可变形连续体。 2）宏观模拟：将复合材料模拟为一个正交各向异性体或是完全各向
复合材料不只是几种材料的混合物。它具有普通材料所没有的一些特性。它在潮湿和高温环境，冲击，电化学腐蚀，雷电和电磁屏蔽环境中具有与普通材料不同的特性。 复合材料的结构形式包括层压板，三明治结构，微模型，编织预成型件等。 复合材料的结构和材料具有同一性，并且可以在结构形成时同时确定材料分布。它的性能与制造过程密切相关，但是制造过程很复杂。由于复合结构不同层的材料特性不同，复合结构在复杂载荷作用下的破坏模式和破坏准则是多种多样的。 在ABAQUS中，复合材料的分析方法如下 1，造型 它的结构形式决定了它的建模方法，并且可以使用基于连续体的壳单元和常规壳单元。复合材料被广泛使用，但是复合材料的建模是一个困难。铺设复杂的结构光需要一个月 2，材料
使用薄片类型（层材料）建立材料参数。材料参数可以工程参数的形式给出，或者材料强度数据可以通过子选项给出。这种材料仅使用平面应力问题。 ABAQUS可以通过两种方式定义层压板：复合截面定义和复合层压板定义 复合截面定义对每个区域使用相同的图层属性。这样，我们只需要建立壳体组合即可将截面属性分配给二维（在网格中定义的常规壳体元素）或三维（三维的大小应与壳体中给定的厚度一致）。基于网格中定义的连续体的壳单元） ABAQUS复合材料分析方法介绍 复合叠加定义是由复合布局管理器定义的，它主要用于在模型的不同区域中构造不同的层。因此，应在定义之前对区域进行划分，并且应将不同的层分配给不同的区域。可以根据常规外壳的元素和属性进行定义。 传统的壳单元定义了每个层的厚度，并将其分配给二维模型。应该给基于连续体的壳单元或实体单元提供3D模型（厚度是相对于单元长度的系数，因此厚度方向可以分为一层单元）。
1,建立模型Part Module :类型三维，solid，旋转；按尺寸绘图，done,设置旋转角此处为360度。 2,建立参考面，将圆筒分成两半 3，Assembly Module :类型Independent 分区partition截面 4，Mesh module : 点击remove空二，选择cells消隐分区 X Select entities to remove: Cells Undo 撒种子时，需要分几层就在边缘上撒多少个种子，在每条边上尽量都撒相同数量的种子, 生成结构网格，生成的网格才比较规整。 （注意，此处的mesh,对象为assembly，而不是part） 生成网格后，Mesh: Create Mesh Part Module I- Mesh * Model：j Model-1 abject: * Awembly Part「 4,Job Module : Create Job,例如job-007-01，运行生成job-007-01.inp 文件，保存成007-01.cae 文件。 5,File: New打开新窗口
6,File: Import : Model 选择job-007-01.inp 打开 7,Mesh Module: Tools: Surface manager: create: by angle 定义surface 集合 Tools: Set manager: create: Element: by angle 定义Element 集合 用以下三个命令操作，选择恰当的面。 丄i Select the Entity Closest to the Screen, ---- Select From Exterior En tities '包i 一 J Select From Interior Entities （左键点击第二个图标不放拖出即可） 注：定义Element集合时，可以从外到内，定以一层后，在display中--- -:把定义的那层remove掉再定义下面一层。 8,Mesh: Edit :Mesh : Mesh Offset （create solid layers）: Surfaces （选择相应的面）：Total thickness定义厚度，生成cohesive单元，把其之前定义的几层surface，都生成cohesive单丿元。 9，Mesh: Element type :对cohesive 单元，Family 选择Cohesive，对其他单元，Family 选择3D Stress；对于静态运算，Element Library选择Standard,对于动态（显式）运算，Element Library 选择Explicit。 10，Property: Create Material: jiti （材料名字）：Mechanical : Elastic: Type: Isotropic =tdrt Matetial 邑 M＜）terial-jiti Description; NLrnnb?r of field v-arid4）l?:0 ' Moduli tme scale [forvi&ctwlKlicrty^ Long-term No compr-eision 3 Nc Datia Voungi'i P鈕1刖n1* 1 4D0C Create Material: xianwei （材料名字）：Mechanical : Elastic : Type : Isotropic
基于ABAQUS复合材料薄壁圆筒的屈曲分析 由于玻璃钢复合材料的薄壁圆筒结构具有强度高、重量轻、刚度大、耐腐蚀，电绝缘及透微波等优点，目前已广泛应用于航空航天和民用领域中。工程中广泛使用的这些薄壁圆筒，当它们受压缩、剪切、弯曲和扭转等荷载作用时，最常见的失效模式为屈曲。因此，为了保证结构的安全，需要进行屈曲分析。 对结构进行屈曲分析，涉及到较复杂的弹(塑)性理论和数学计算，要通过求解高阶偏微分方程组，才能求解失稳临界荷载，而且只有少数简单结构才能求得精确的解析解。因此，只能采用能量法、数值方法和有限元方法等近似的分析方法进行分析。近20年来，随着计算机和有限元方法的迅猛发展，形成了许多的实用分析程序，提高了对复杂结构进行屈曲分析的能力和设计水平。ABAQUS 就是其中的杰出代表。 1.屈曲有限元理论 有限元方法中，对结构的屈曲失稳问题的分析方法主要有两类：一类是通过特征值分析计算屈曲载荷，另一类是利用结合Newton—Raphson迭代的弧长法来确定加载方向，追踪失稳路径的几何非线性分析方法，能有效分析高度非线性屈曲和后屈曲问题。 1.1线性屈曲 假设结构受到的外载荷模式为。，幅值大小为，结构内力为Q，则静力平衡方程应为 进一步考察结构在载荷作用下的平衡方程，得到 由于结构达到保持稳定的临界载荷时有，代入上式得 该方程对应的特征值问题为 如果忽略几何刚度增量的影响，屈曲分析的方程又可进一步简化为 该方程即为求解线性屈曲的特征值方程。为屈曲失稳载荷因子，为结构失稳形态的特征向量。
1.2非线性屈曲 非线性屈曲分析方法多采用弧长法进行分步迭代计算，在增量非线性有限元分析中，沿着平衡路径迭代位移增量的大小(也叫弧长)和方向，确定载荷增量的自动加载方案，可用于高度非线性的屈曲失稳问题。与提取特征值的线性屈曲分析相比，弧长法不仅考虑刚度奇异的失稳点附近的平衡，而且通过追踪整个失稳过程中实际的载荷、位移关系，获得结构失稳前后的全部信息，适合于高度非线性的屈曲失稳问题。 2.ABAQUS的线性屈曲分析 ABAQUS中提供两种分析方法来确定结构的临界荷载和结构发生屈曲响应的特征形状：线性屈曲分析(特征值屈曲分析)、非线性屈曲分析。 线性屈曲分析用于预测一个理想的弹性结构的理论屈曲强度。它是预期的线性屈曲荷载的上限，可以作为非线性屈曲分析的给定荷载，在渐进加载达到此荷载前，非线性求解必然发散；它还可以作为施加初始缺陷或扰动荷载的依据。所以预先进行特征值屈曲分析有助于非线性屈曲分析，进行特征值屈曲分析是必要的。 3.算例 3.1问题概述 图3-1 实例模型 如图所示两端开口的复合材料薄壁圆筒，底端固支，顶端作用有均匀分布的轴压边载。半径R=152mm，高度300mm，厚度t=0.804mm，对称铺层[±45,0]s，
纤维增强材料的累积损伤与失效：Abaqus拥有纤维增强材料的各向异性损伤的建模功能（纤维增强材料的损伤与失效概论，19.3.1节）。假设未损伤材料为线弹性材料。因为该材料在损伤的初始阶段没有大量的塑性变形，所以用来预测纤维增强材料的损伤行为。Hashin标准最开始用来预测损伤的产生，而损伤演化规律基于损伤过程和线性材料软化过程中的能量耗散理论。 另外，Abaqus也提供混凝土损伤模型，动态失效模型和在粘着单元以及连接单元中进行损伤与失效建模的专业功能。 本章节给出了累积损伤与失效的概论和损伤产生与演变规律的概念简介，并且仅限于塑性金属材料和纤维增强材料的损伤模型。 损伤与失效模型的通用框架 Abaqus提供材料失效模型的通用建模框架，其中允许同一种的材料应用多种失效机制。材料失效就是由材料刚度的逐渐减弱而引起的材料承担载荷的能力完全丧失。刚度逐渐减弱的过程采用损伤力学建模。 为了更好的了解Abaqus中失效建模的功能，考虑简单拉伸测试中的典型金属样品的变形。如图19.1.1-1中所示，应力应变图显示出明确的划分阶段。材料变形的初始阶段是线弹性变形（a-b段），之后随着应变的加强，材料进入塑性屈服阶段（b-c段）。超过c点后，材料的承载能力显著下降直到断裂（c-d段）。最后阶段的变形仅发生在样品变窄的区域。C点表明材料损伤的开始，也被称为损伤开始的标准。超过这一点之后，应力-应变曲线（c-d）由局部变形区域刚度减弱进展决定。根据损伤力学可知，曲线c-d可以看成曲线c-d‘的衰减，曲线c-d‘是在没有损伤的情况下，材料应该遵循的应力-应变规律曲线。
图19.1.1-1 金属样品典型的轴向应力-应变曲线 因此，在Abaqus中失效机制的详细说明里包括四个明显的部分： ●材料无损伤阶段的定义（如图19.1.1-1中曲线a-b-c-d‘） ●损伤开始的标准（如图19.1.1-1中c点） ●损伤发展演变的规律（如图19.1.1-1中曲线c-d） ●单元的选择性删除，因为一旦材料的刚度完全减退就会有单元从计算中移除（如图19.1.1-1 中的d点）。 关于这几部分的内容，我们会对金属塑性材料（金属塑性材料的损伤与失效概论，19.2.1节）和纤维增强材料（纤维增强符合材料的损伤与失效概论，19.3.1节）进行分开讨论。 网格依赖性 在连续介质力学中，通常是根据应力-应变关系建立材料本构模型。当材料表现出导致应变局部化的应变软化行为时，有限元分析的结果带有强烈的网格依赖性，能量的耗散程度取决于网格的精简程度。在Abaqus中所有可使用损伤演化模型都使用减轻网格依赖性的公式。这是通过在公式中引入特征长度来实现的，特征长度作为一个应力-位移关系可以表达本构关系中软化部分，它与单元尺寸有关系。在此情况下，损伤过程中耗散的能量不是由每个单位体积衡量，而是由每个单位面积衡量。这个能量值作为另外一个材料参数，用来计算材料发生完全损伤时的位移。这是与材料断裂力学中临界能量释放率的概念一致的。此公式确保了合适能量的耗散以及最大程度减轻网格的依赖。
ABAQUS软件公司和产品应用介绍 一、ABAQUS软件公司的发展历程 1972年，ABAQUS的首要创始人David Hibbitt在布朗大学完成了Ph.D.论文，论文的一部分为基于有限元方法的计算力学内容。这期间，他和他的导师创建了一个公司，产品为他们开发的有限元软件MARC。此后，ABAQUS的另外一个创始人Paul Sorensen也加入了MARC，但之后回到布朗大学继续攻读Ph.D学位。ABAQUS的另外一个创始人Dr. Bengt Karlsson曾经是Control Data公司的分析工程师，由于工作的关系，他逐步对当时各种有限元程序加以熟悉并产生浓厚兴趣。1976年，他从欧洲来到美国和Hibbitt一同在MARC工作。 作为MARC的总工程师，Hibbitt越发意识到工业界对有限元软件有一种强烈的需求，将会成为工程师的日常工具，逐步取代传统的实验做法，但这要求对现有的程序进行大幅度修改，使之能够处理更大规模的模型，计算的可靠性和精度更高。他建议导师重写MARC的内核来适应工业领域的要求，但是他的导师当时不愿意进行这样的一笔投资。1977年，Hibbitt离开MARC开始从头编写ABAQUS。Karlsson很快加入了他。之后，已经从布朗大学博士毕业正在通用汽车公司工作的Sorensen也加入了他们的行列。Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc., (HKS) 公司于1978年2月1日正式成立。三个力学专家开始了一个强大工程分析工具的发展历程。 HKS的第一个客户是Westinghouse Hanford公司，它在华盛顿州从事核反应堆方面的开发工作。Westinghouse Hanford需要进行复杂的分析，包括核燃料棒的接触、蠕变和松弛等问题。ABAQUS可以进行温度相关的蠕变、塑性以及接触建模体现了其优势，很快ABAQUS在核工业领域小有名气。 ABAQUS早期的应用还包括石油、军工等其它领域。随着软件功能的不断强大，汽车公司在80年代中期开始采用ABAQUS作为复杂工程模拟的工具。此后ABAQUS的研发一直是和重要工业客户一起合作进行的，这些客户碰到的力学难题，双方会一起参与来设法解决，同时不断丰富ABAQUS本身的功能。今天，ABAQUS已经被应用于各个工业领域作为核心产品的研发工具，对它求解能力的强大性和灵活性的赞誉不绝于耳。 2002年底HKS公司改名为ABAQUS公司，全部业务都是进行ABAQUS软件的开发与维护。近年来公司始终保持两位数增长，2007年增长17%，2008年增长18%。目前ABAQUS全球有800名雇员，在北美、欧洲、亚太地区有40个分公司或代表处。在总部的400多名雇员中有200多人具有工程或计算机的博士学位，70多人具有硕士学位。被公认为世界上最大且最优秀的非线性固体力学研究团体。 二、ABAQUS软件的发展历程 ABAQUS最早的产品为ABAQUS/Standard。ABAQUS/Standard是一个通用
一、定义材料的刚度矩阵 从弹性力学理论可以知道,各向异性材料的刚度矩阵由于有对称性，刚度系数有最初的36个减少到21个，如下图： 在实际应用中，大多数工程材料都有对称的内部结构，因此材料具有弹性对称性，这种对称性可以进一步简化上述的刚度矩阵。 1、有一个弹性对称面的材料（如结晶学中的单斜体） 例如取x-y平面为对称面，则D1112= D1113= D2212= D2213= D3312= D3313= D1223= D1323=0，刚度系数又减少8个，剩下13个。 2、有两个正交（相互垂直）弹性对称面的材料 例如进一步取x-z平面为对称面，则D1123= D2223= D3323= D1213=0，刚度系数又减少4个，剩下9个，如下图： 在Abaqus编辑材料中进行个刚度系数的设定。
3、有三个正交弹性对称面的材料 如果材料有三个相互垂直的弹性对称面，没有新的刚度系数为零，也只有9个。 4、横观各项同性材料 若经过弹性体材料一轴线，在垂直该轴线的平面内，各点的弹性性能在各方向上都相同，我们称此材料横观各向同性材料，如单向复合材料。对于这种材料最终的刚度系数只剩下D1111，D1122，D1133，D3333，D1212五项，其余各项均为零。在复合材料中，经常遇到正交各项异性和横观各项同性两种材料。 二、定义材料工程弹性常数 通过指定工程弹性常数定义线弹性正交各向异性材料是最便捷的一种方法，根据复合材料力学理论，用工程弹性常数表示的柔度矩阵表示如下：
其中，γij/Ei=γji/Ej，所以用9个独立弹性常数可以表征材料属性，即三个材料主 方向上的弹性模量E1，E2，E3，三个泊松比γ12，γ13，γ23，三个平面内的剪切弹性模量G12，G13，G23。 例如测得复合材料一组材料数据为：E1=39GPa，E2=8.4GPa，E3=5.2GPa，γ12=0.26，γ13=0.3，γ23=0.28，G12=4.2GPa，G13=3.6GPa，G23=2.4GPa （随便给出的）。在Abaqus编辑材料对话框中输入对应数据，完成正交各向异性材料的定义。 对于横观各向同性材料，E1=E2，γ13=γ23，γ31=γ32，G13=G23，弹性常数
复合材料不仅仅是几种材料的混合物。它有一些普通材料所没有的特性。它在潮湿和高温环境、冲击、电化学腐蚀、雷电和电磁屏蔽环境中具有不同于普通材料的特性。 复合材料的结构形式包括层板、夹层结构、微模型、机织预制件等。 复合材料的结构和材料是相同的，并且在结构形成时可以同时确定材料的分布。它的性能与制造过程密切相关，但制造过程非常复杂。由于复合材料结构不同层的材料性能不同，复合材料结构在复杂荷载作用下的破坏模式和破坏准则也各不相同。 在ABAQUS中，复合材料的分析方法如下 1建模 其结构形式决定了其建模方法，可以采用基于连续介质的壳单元和常规壳单元。复合材料应用广泛，但复合材料的建模是一个难点。制作复杂的结构光需要一个月的时间2材料 使用“图纸类型”（图层材质）来建立材质参数。材料参数可以以工程参数的形式给出，也可以通过子选项给出材料强度数据。这种材料只使用平面应力问题。
ABAQUS可以用两种方式定义层压板：复合材料截面定义和复合材料层压板定义复合剖面定义对每个区域使用相同的图层特性。这样，我们只需要创建一个壳组合，将截面属性指定给二维（在网格中定义的常规壳元素）或三维（三维的大小应与壳中给定的厚度一致）。基于网格中定义的连续体的壳单元） ABAQUS复合分析方法简介 复合覆盖定义由复合布局管理器定义，主要用于在模型的不同区域构造不同的层。因此，在定义之前应该先划分区域，并将不同的层分配给不同的区域。它可以根据常规shell的元素和属性进行定义。 传统的壳单元定义每个层的厚度并将其分配给二维模型。根据单元的厚度可以将单元划分为三维单元的厚度方向。 提示：堆栈参考坐标系（放置方向）的定义和每个堆栈坐标系（图层方向）的定义。定义正确的图层角度、图层厚度和图层顺序。ABAQUS无法分析单个层的法向变化超过
abaqus复合材料 Abaqus提供了不同方式对复合结构进行建模的功能。根据被建模的复合材料的类型，可用的材料数据，边界条件以及期望的结果，某种特定方法可能比其他方法更好。 什么是复合结构？ 复合材料是嵌入基质材料内的增强材料的宏观混合物。复合结构由复合材料制成，并且可以具有许多形式，如单向纤维复合材料，织物或蜂窝结构。 Abaqus使用几种不同的方法来模拟复合结构 1）微观：在这种方法中，基体和增强材料被建模为单独的可变形连续体 2）宏观：在这种方法中，基体和增强材料被建模为整体可变形连续体。当单个纤维的微观行为及其与基体的相互作用不太重要的时，可以使用这种方法。 3）混合建模：在该方法中，复合结构被建模为单一正交各向异性（或各向异性）材料。当结构的整体行为比微观层面的行为更重要时，这
一点很重要。单个材料定义（通常是各向异性的）足以预测全局行为。 复合材料层压板的分析： 复合层压材料由多层制成。每层具有独自的厚度，并且每层中的增强纤维以不同方式对齐。布置层以形成层压板的顺序称为叠层或堆叠顺序。在Abaqus中对此进行建模的最简单方法是使用混合建模方法。这将包括为每个层定义正交各向异性，厚度，纤维取向和堆叠顺序，这反过来又决定其结构行为。 通常，层压性能直接从实验或其他应用中获得。这些性质可以是A，B，D基质的形式，其定义了层压材料的刚度。在这种情况下，宏观方法可用于层压板的结构分析。这种方法在本质上可以被认为是宏观的，因为在Abaqus部分定义中导出并使用等效的截面属性。还可以认为它是一种混合建模方法，因为截面刚度是基于层板铺设得出的。 下面的示例显示了A，B，D矩阵是如何从可用的上层信息中派生出来的，并在Abaqus的General Shell Section定义中使用。 经典层压理论的假设： 这里显示的层压复合材料的宏观建模方法基于经典层压理论（CLT）。
复合材料Abaqus仿真分析——精讲版 本文以一个非常简单的复合材料层合板为例，应用Abaqus/CAE对其进行线性静态分析。一块边长为254mm的方形两层层合板，两层厚度均为2.54mm，第一层铺层角45°,第二层铺层角-45°；板的四边完全固支，板的上表面受到689.4kpa的压强。各单层的材料相同，材料属性如下： E1=276GPa，E2=6.9GPa，E3=5.2GPa，γ12=0.25，G12=3.4GPa，G13=3.4GPa，G23=3.4G。 定义模型的几何形状 创建一个具有平面壳体单元基本特征的三维变形体，在草图环境绘制板的几何形状如下图：
定义材料属性和局部材料方向 Create coordinate system
定义局部坐标系，对于像本例这样的简单几何体，本可以不用另外建立局部坐标系，但笔者还是在本例中用了局部坐标系，主要是考虑到以后再复杂问题中会经常用到这一方法。 创建铺层 或者使用菜单栏
此处使用全局坐标系
使用用户自定义坐标系 Rotation angle depends on the coordinate system defined by user. Par example, if x-axe in the user defined system is parallel to the direction of fiber; we should replace the angles by 0 and 90. 使用全局坐标系和局部坐标系的区别在下面这一步可以查看 如果使用全局坐标系，会有方向指示，如果使用用户自定义坐标系，在层中没有方向指示可以通过’工具——查询’来检查铺层（Tool ---- Q uery----ply stack plot） Case 1 全局坐标系
Abaqus中复合材料弹性属性的设定 (2010-06-18 15:45:53) 转载▼ 分类：CAE 标签： 杂谈 一、定义材料的刚度矩阵 从弹性力学理论可以知道,各向异性材料的刚度矩阵由于有对称性，刚度系数有最初的36个减少到21个，如下图： 在实际应用中，大多数工程材料都有对称的内部结构，因此材料具有弹性对称性，这种对称性可以进一步简化上述的刚度矩阵。 1、有一个弹性对称面的材料（如结晶学中的单斜体） 例如取x-y平面为对称面，则D1112= D1113= D2212= D2213= D3312= D3313= D1223= D1323=0，刚度系数又减少8个，剩下13个。 2、有两个正交（相互垂直）弹性对称面的材料 例如进一步取x-z平面为对称面，则D1123= D2223= D3323= D1213=0，刚度系数又减少4个，剩下9个，如下图：
在Abaqus编辑材料中进行个刚度系数的设定。 3、有三个正交弹性对称面的材料 如果材料有三个相互垂直的弹性对称面，没有新的刚度系数为零，也只有9个。 4、横观各项同性材料 若经过弹性体材料一轴线，在垂直该轴线的平面内，各点的弹性性能在各方向上都相同，我们称此材料横观各向同性材料，如单向复合材料。对于这种材料最终的刚度系数只剩下D1111，D1122，D1133，D3333，D1212五项，其余各项均为零。 在复合材料中，经常遇到正交各项异性和横观各项同性两种材料。 二、定义材料工程弹性常数 通过指定工程弹性常数定义线弹性正交各向异性材料是最便捷的一种方法，根据复合材料力学理论，用工程弹性常数表示的柔度矩阵表示如下：
1,建立模型Part Module：类型三维，solid，旋转；按尺寸绘图，done，设置旋转角此处为360度。 2,建立参考面，将圆筒分成两半 3，Assembly Module：类型Independent 分区partition截面 4，Mesh module： 点击remove，选择cells消隐分区 撒种子时，需要分几层就在边缘上撒多少个种子，在每条边上尽量都撒相同数量的种子，生成结构网格，生成的网格才比较规整。 （注意，此处的mesh，对象为assembly，而不是part） 生成网格后，Mesh: Create Mesh Part
4，Job Module：Create Job，例如job-007-01，运行生成job-007-01.inp文件，保存成007-01.cae文件。 5, File：New打开新窗口 6,File：Import : Model 选择job-007-01.inp打开 7,Mesh Module: Tools: Surface manager: create: by angle定义surface集合 Tools: Set manager: create: Element: by angle定义Element集合 用以下三个命令操作，选择恰当的面。 Select the Entity Closest to the Screen, Select From Exterior Entities Select From Interior Entities（左键点击第二个图标不放拖出即可） 注：定义Element集合时，可以从外到内，定以一层后，在display中 把定义的那层remove掉再定义下面一层。 8,Mesh: Edit :Mesh：Mesh Offset (create solid layers)：Surfaces（选择相应的面）：Total thickness 定义厚度，生成cohesive单元，把其之前定义的几层surface，都生成cohesive单元。 9，Mesh: Element type：对cohesive单元，Family选择Cohesive，对其他单元，Family 选择3D Stress；对于静态运算，Element Library选择Standard，对于动态（显式）运算，Element Library选择Explicit。 10，Property： Create Material：jiti（材料名字）：Mechanical：Elastic：Type：Isotropic Create Material：xianwei（材料名字）：Mechanical：Elastic：Type：Isotropic
在ABAQUS中的纤维增强复合材料建模模块（CMA） newmaker 在此模块中直接融合纤维增强复合材料仿真计算与建模的最新技术发展 通过提供功能强大的纤维增强复合材料计算仿真能力，和先进的建模方法，Simulayt的Layup Pipeline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。 纤维增强复合材料模拟有重要的作用，它确保在建模初始就不能生成工艺上不可制造的铺层。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。
目前，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，实现详细的仿真计算。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保真度。 最后，对Simulay的Layup Pipeline 的直接调用，使复合材料结构的分析、设计和制造完美的结合在一起。比如，如果需要的话，由Abaqus/CAE创建的模型可以直接倒入到CATIA V5中进行细节设计。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。 性能 1992年得到业界认可，Simulayt的纤维增强复合材料仿真技术发展水平 Abaqus模拟中对纤维角度和铺层厚度的直接转换实现了前所未有的准确度。 在快速设计改良中可以迅速回顾并修改复合材料模型。 生成制造数据以确保分析模型与最终结构相符合。
凭借Layup Pipeline模块与其他环节的直接融合能力，实现了整个企业紧密联系。优点 建模过程中不能生成工艺上不可制造的铺层，避免了由设计得不可行带来的成本。通过提高模型的仿真度以及降低设置时间来实现快速设计改良。 企业中分析、设计和制造的无缝连接提高整个研制过程的效(end)
Abaqus： ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS 除了能解决大量结构（应力/ 位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/ 应力耦合分析）及压电介质分析。 功能： 静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等 动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析 质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等 耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等 非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等 瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题 准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题
退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟 海洋工程结构分析： 对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟 对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟 对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟 水下冲击分析： 对冲击载荷作用下的水下结构进行分析 柔体多体动力学分析：对机构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑机构运动中的接触和摩擦 疲劳分析：根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估 设计灵敏度分析：对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计 软件除具有上述常规和特殊的分析功能外，在材料模型，单元，载荷、约束及连接等方面也功能强大并各具特点： 材料模型：定义了多种材料本构关系及失效准则模型，包括： 弹性：线弹性，可以定义材料的模量、泊松比等弹性特性 正交各向异性，具有多种典型失效理论，用于复合材料结构分析多孔结构弹性，用于模拟土壤和可挤压泡沫的弹性行为 亚弹性，可以考虑应变对模量的影响
SM53 – Propriétés des matériaux composites INTRODUCTION GENERAL - CODE ABAQUS -
Yannick PANNIER – Séverine A.E. BOYER I.S.A.E. E.N.S.M.A. – Futuroscope – FRANCE
Flexion 4 points d’une plaque
F=1500N 3 2 1
? Matériau : Composite stratifiés de plis unidirectionnels préimprégnés fibres de carbone T300 + résine époxy 5208 ? Propriétés : E1 = 151 GPa ; E2 = 10,3 GPa ; nu12= 0,28 ; G12 = 7,17 GPa ; G13 = 9,5 GPa; G23 = 9,5 GPa ? Exemple : Stratifié [0° ,90° ] 3S de 3 mm d’épaisseur
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Calculs sous Abaqus
? On applique sur la machine un effort linéairement croissant de 1500N. ? Les stratifiés testés sont un [0° ]6s , un [0° ,90° ]3s et un [90° ,0° ]3s de 3mm d’épaisseur. ? Pour chaque séquence d’empilement :
1° ) Tracer la flèche au centre en fonction de la char ge 2° ) Tracer les déformations sur les peaux supérieures e t inférieures 3° ) Tracer les évolutions de contraintes dans l’épaiss eur dans la zone centrale de l’éprouvette 4° ) Discuter les résultats et comparer les solutions 5° ) Faire le calcul avec un stratifié : un pli à 0° d’une épaisseur de 0,5mm d’un pli à 45° de 2,5mm et d’un pli à 0° d’une épai sseur de 0,5mm ; Comment se manifeste le couplage membrane flexion ?
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