滑板复合材料力学仿真

复合材料的力学模型与性能预测在当今的工程领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。

从航空航天到汽车制造，从体育用品到医疗设备，复合材料的应用日益广泛。

然而，要充分发挥复合材料的优势，准确理解其力学行为和预测其性能至关重要。

复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。

这些不同的组分相互作用，赋予了复合材料独特的性能。

常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和颗粒增强复合材料等。

为了研究复合材料的力学行为，科学家们建立了各种各样的力学模型。

其中，微观力学模型着重从材料的微观结构出发，分析单个纤维或颗粒与基体之间的相互作用。

通过这种模型，可以了解复合材料在微观尺度上的应力和应变分布，进而预测其整体性能。

例如，对于纤维增强复合材料，常用的微观力学模型有混合法则和等效夹杂模型。

混合法则基于材料的体积分数和各组分的性能，简单地对复合材料的性能进行估算。

虽然这种方法相对简单，但在一些情况下可能会产生较大的误差。

等效夹杂模型则将纤维视为等效的夹杂体，通过复杂的数学推导来计算复合材料的等效性能，其预测结果通常更为准确。

宏观力学模型则将复合材料视为均匀的连续体，不考虑其微观结构。

这种模型主要用于分析复合材料在宏观尺度上的力学响应，如梁、板等结构的弯曲、拉伸和压缩等行为。

常见的宏观力学模型包括经典层合板理论和有限元方法。

经典层合板理论将复合材料层合板视为由多层不同方向的单层板组成，通过叠加各单层板的贡献来计算层合板的整体性能。

这一理论在工程中得到了广泛的应用，但它对于复杂的加载情况和边界条件的处理能力有限。

有限元方法则是一种更为强大的工具，它可以模拟各种复杂的几何形状、加载条件和边界约束。

通过将复合材料结构离散为有限个单元，并对每个单元的力学行为进行分析，最终得到整个结构的响应。

有限元方法在复合材料的设计和分析中发挥着重要的作用，但它需要较高的计算资源和专业的软件支持。

HyperWorks复合材料仿真优化技术及应用复合材料以其比强度、比模量高，耐腐蚀、抗疲劳等优点，在工业界得到了越来越多的应用。

特别是在航空航天方面，由于钢铁和有色合金很难满足日趋苛刻的重量、力学等设计性能要求，复合材料更是得到了广泛的应用。

波音787和A350飞机的复合材料用量都超过50%，同时也在研发过程中面临许多重大挑战，除了大量的小样件和部段试验件的试验测试，仿真优化技术也是解决各种技术难题，缩短研发周期的重要技术手段。

Altair 公司是世界领先的工程设计技术开发者，旗舰产品HyperWorks软件包含了HyperMesh、OptiStruct、RADIOSS、MotionView、HyperStudy等著名模块，是全球领先的企业级产品创新解决方案。

过去10年，Altair公司投入巨大的人力物力，跟航空工业界紧密合作，基于HyperWorks软件平台，开发了复合材料建模、仿真、优化、可视化后处理等技术，目前已经在空客和波音等公司得到大量应用。

复合材料建模技术HyperMesh 是目前世界上最著名的CAE前处理软件，提供了无与伦比的建模功能和最广泛的CAD和CAE 软件接口。

针对复合材料，HyperMesh提供了专业的复合材料前处理模块HyperLaminate，具有直观便捷的用户界面（如图1所示），可以快速地对复合材料模型进行创建、检查和编辑，直观定义每一铺层的厚度、角度及材料属性（纤维及基体），定义各种复合材料失效准则等。

HyperMesh 支持ply+stack的复合材料铺层定义方式，即定义出各复合材料物理铺层的范围（用单元集表示），一个物理铺层对应一个ply卡片，然后通过stack卡片把各个ply按次序层叠起来，形成完整的层合板。

例如，复合材料T型长桁与蒙皮胶接结构可以通过图2所示的方法来定义。

采用ply+stack建模技术，可以方便地对复合材料层合板进行建模和编辑、三维显示和铺层方向显示等，如图3所示。

抑弧油对滑板用 C/C 复合材料载流磨损性能的影响受电弓滑板是为电力机车提供持续电力来源的重要集电元件，滑板/接触线构成了在机械作用与电气作用共同影响下的特殊摩擦副，受电弓滑板/接触线的载流磨损是在机械、摩擦、化学、传热和电气等因素综合作用下的一种磨损行为。

滑板在高速运行过程中，因接触-分离产生的电弧侵蚀是造成滑板/接触线显著磨耗的主要原因。

电弧侵蚀直接导致滑板/接触线的磨损表面粗糙度增大，造成磨损面上接触区材料受冲击剥落。

另外，电弧还可激发材料转移和熔融喷溅等多种磨损模式。

对于既定的弓网系统而言，滑板材料的体积电阻率、力学性能、抗磨与减摩性能、耐电弧冲击及轻量化都是必须同时统筹考虑的参数。

目前，炭材料仍是受电弓滑板用材料的主流材质。

因为炭材料易在摩擦表面形成炭质润滑膜，炭质材料既可满足滑板所需的良好导电性、优异耐磨性，又可减轻电弧对摩擦副的侵蚀。

为了进一步阐述电弧作用对炭质滑板材料载流磨损性能的影响，KUBO 等系统研究了电弧对浸铜炭滑板磨损率的影响，研究发现滑板的磨损率主要受控于滑板/导线间接触分离产生的电弧放电。

沈向前等研究了有、无载流条件下 3D 炭/炭复合材料的干滑动摩擦磨损性能，结果表明，在载流条件下，大量摩擦热和电弧热使摩擦表面因局部温度的急剧升高而氧化，造成大面积的氧化磨损和氧化硬质颗粒造成的磨粒磨损。

DING 等研究了在直流高速运载条件下纯炭滑板的载流磨损行为，结果表明，电流作用引起的高温磨损和电弧烧蚀磨损是造成炭滑板磨损加剧的主要因素，在滑板表面上存在电弧侵蚀坑，磨损表面滑动方向上出现电弧烧蚀的黑色流线，滑动磨痕，剥落块体，类铜层。

纯炭滑板/铜接触线在交流高速下磨损机制呈现为磨粒磨损、电弧烧蚀和氧化磨损，并伴随着材料的转移。

1 实验实验选用密度为 1.5 gcm3的C/C 复合材料(由中南大学粉末冶金研究院提供)作为研究对象。

在DZF-6050 型真空干燥箱中，采用真空浸渍法对C/C复合材料浸渍抑弧油(德国进口)，抑弧油的主要参数如表 1 所列，浸渍温度为 40 ℃，浸渍时间为 2 h。

复合材料材料力学性能参数预测模型构建随着材料科学的快速发展和技术的进步，复合材料已经成为现代工程中不可或缺的一部分。

然而，在复合材料的设计和应用过程中，目前仍存在着一个重要的问题，即如何准确预测复合材料的力学性能参数。

本文将探讨如何构建复合材料材料力学性能参数预测模型，帮助工程师和科研人员更好地理解和应对这一挑战。

首先，为了构建一个高效可靠的预测模型，我们需要收集大量的复合材料数据。

这些数据包括复合材料的成分、结构、制备方法以及相应的力学性能参数等。

数据的采集可以通过实验室试验、文献回顾和模拟计算等多种方法进行。

在数据采集过程中，我们需要注意选择能够代表复合材料特征的指标，并确保数据的准确性和可靠性。

其次，对于所收集的复合材料数据，我们需要进行数据预处理。

数据预处理是为了去除噪声和不必要的信息，提高数据的质量和可解释性。

常用的数据预处理方法包括数据清洗、特征选择、数据标准化等。

数据清洗主要是去除异常值和缺失值，避免它们对模型造成不良影响。

特征选择是为了筛选出对力学性能参数具有重要影响的变量，减少模型的复杂度和计算成本。

数据标准化是为了消除不同变量之间的量纲差异，使得模型更具稳定性和可解释性。

接下来，我们可以根据收集的数据构建复合材料材料力学性能参数预测模型。

常用的预测模型包括统计回归模型、机器学习模型和深度学习模型等。

统计回归模型包括线性回归、多元线性回归、逻辑回归等，它们建立了输入变量与输出变量之间的数学关系，可以通过最小二乘法等方法估计模型参数。

机器学习模型包括支持向量机、决策树、随机森林等，它们通过学习已有数据的模式和规律来进行预测。

深度学习模型则是一种基于人工神经网络的模型，可以处理大规模复杂的数据，具有较强的非线性建模能力。

在构建预测模型时，我们需要将数据集划分为训练集和测试集。

训练集用于模型的参数估计和优化，测试集用于评估模型的性能和泛化能力。

为了避免模型过拟合或欠拟合的问题，可以使用交叉验证方法进行模型选择和调参。

基于abaqus的复合材料固化变形及参
与应力仿真简介
ABAQUS是一款功能强大的有限元分析软件，可以用于复合材料固化变形及参与应力的仿真分析。

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。

在这个过程中，由于基体材料和纤维增强材料的热膨胀系数不一样，一系列的温度变化会导致热应力产生，致使结构发生翘曲变形。

ABAQUS提供了丰富的功能和工具，可以用于模拟复合材料的固化过程。

在ABAQUS中，可以使用热固耦合分析功能，模拟复合材料在不同温度下的固化行为。

同时，ABAQUS还可以考虑材料的非线性特性和复杂的边界条件，准确地预测复合材料的固化变形和参与应力。

通过ABAQUS的复合材料固化变形及参与应力仿真分析，可以为设计人员提供有价值的数据和信息，帮助他们优化复合材料的设计和制造工艺。

复合材料工艺仿真解决方案ESI-ATE公司依托ESI集团强大的复合材料仿真产品，联合国内领先复合材料研究合作伙伴，并投入大量人员和精力进行了定制开发，形成了复合材料工艺仿真平台解决方案。

复合材料工艺平台是以复合材料设计和工艺流程为研究对象，它包括结构设计、铺层设计、工艺仿真、工艺优化等，并在此基础上对复合材料工艺流程进行仿真分析的系统。

具体包括的软件有复合材料铺层设计Qui k for m，复合材料压力成形仿真PAM-FORM，复合材料RTM工艺仿真PAM-RTM，复合材料力学性能分析SYSPLY，热压罐工艺仿真PAM-AUTOCLAVE，复合材料优化工具PAM-OPT，复合材料破坏力学分析PAM-CRASH，另外还有复合材料数据库等。

如果力学性能满足要求，可应用PAM-OPT进行优化设计，得到最佳的铺层厚度和铺层角度、材料等的组合。

还可以进行动力学分析。

并按照设计铺层设计，应用PAMCRASH软件，进行碰撞、动载荷等高度非线性动力学分析。

满足动力学设计，将进入到详细铺层设计，也就是虚拟试验环节。

虚拟设计阶段进行的强度校核是理想状态下的强度校核，没有考虑工艺对结构的影响。

在虚拟试验阶段，从过渡区设计，剪角设计，到最后真实强度校核。

这里继承ESI集团软件的优势功能，即可以计算真实工艺对力学性能的影响。

同时还对工艺参数进行了初步的验证。

虚拟制造包括三种工艺仿真，包括RTM工艺仿真、热压罐工艺仿真、缠绕工艺仿真，根据工艺需要，进行不同工艺仿真，工艺仿真结束之后，确定工艺参数和铺层参数。

工艺参数通过CAPP传递到相关的工艺设备，铺层参数通过FIBERSIM/CPD输出铺层表，传到铺带机。

其中RTM工艺仿真采用PAM-RTM，而热压罐工艺仿真采用PAM-AUTOCLAVE，缠绕工艺采用CADWINDING。

QuikF ORM－复合材料铺层设计软件Qui k FORM是ESI集团基于几何映射法开发的进行复合材料铺设和铺叠模拟的软件工具。

复合材料层合板成形仿真目录1问题描述 (1)2ABAQUS前处理 (1)2.1 Part (1)2.2 Property (1)2.3 Assembly (3)2.4 Step (3)2.5 Load (2)2.6 Mesh (1)2.7 Job (2)3ABAQUS后处理 (2)3.1 显示铺层 (2)3.2 查看各单层计算值 (3)4附录 (4)5参考文献 (7)I11 问题描述本文实例来源于百度文库“复合材料ABAQUS 分析---精讲版”，本文目的在于了解分层壳单元的使用方法及其注意事项，同时收集整理相关知识点。

一块边长254mm 的方形两层层合板，两层厚度均为2.54mm ，第一层铺层角o 45,第二层铺层角o -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：1=276GPa E ，2=6.9GPa E ，3=5.2GPa E ，120.25γ=，12 3.4GPa G =，13 3.4GPa G =，23 3.4GPa G =。

2 ABAQUS 前处理2.1 Part已知为边长为254mm 的正方形层合板，因此可建立层合板部件，命名为“Part-Laminate ”,“3D, Deformable, Shell, Planar ”，输入点（-127,127）、（127，-127）建立矩形平面，如图2-1所示。

图2-1 建立层合板部件2.2 Property(1) 定义复合材料层合板的材料属性由于采用了IS （mm ）单位制，故输入的数值如表2-1所示。

建立材料属性，2命名为“Mat-Laminate ”,输入设置如图2-2所示。

由于复合材料是分层的，因此并不在此处分配和创建截面属性。

表2-1 IS （mm ）单位制参数1E 2E 3E 12 12G 13G 23G 原始276GPa 6.9GPa 5.2GPa 0.25 3.4GPa 3.4GPa 3.4GPa IS(mm) 276000MPa 6900MPa 5200MPa 0.25 3400MPa 3400MPa 3400MPa图2-2 创建复合材料层合板的材料属性（a ）（b ） 图2-3 创建局部坐标系 (2) 创建局部坐标系在如图2-3图所示处创建局部坐标系。

复合材料的力学行为模型及其应用复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有优异的力学性能和广泛的应用领域。

为了研究和预测复合材料的力学行为，科学家们发展了各种力学行为模型，并将其应用于不同的工程领域。

首先，我们来讨论复合材料的力学行为模型。

复合材料的力学行为受到多种因素的影响，包括纤维和基体的性质、纤维的排列方式、界面的特性等。

为了描述这些影响因素，科学家们提出了各种力学行为模型。

最常用的模型之一是经典层合板理论。

该理论假设复合材料是由一层层的薄板组成，每一层的力学性质均为各向同性。

根据这个假设，可以通过层板理论计算复合材料的应力、应变和变形。

这个模型简单易用，广泛应用于航空航天、汽车和建筑等领域。

另一个常用的模型是微观力学模型。

该模型从纤维和基体的微观结构出发，通过建立纤维和基体之间的相互作用关系来描述复合材料的力学行为。

这个模型可以更准确地预测复合材料的力学性能，但计算复杂度较高，适用于研究和设计阶段。

除了这些传统的力学行为模型，近年来还出现了一些新的模型。

例如，多尺度模型将宏观行为与微观结构相结合，通过耦合不同尺度的模型来描述复合材料的力学行为。

这个模型可以更全面地考虑复合材料的力学性能，但计算复杂度更高。

接下来，我们来探讨复合材料力学行为模型的应用。

复合材料的力学行为模型可以用于预测材料的强度、刚度、疲劳寿命等性能。

在航空航天领域，科学家们可以使用力学行为模型来设计和优化飞机的机身和机翼结构，以提高飞机的性能和安全性。

在汽车工业中，力学行为模型可以帮助工程师设计轻量化的车身结构，提高燃油效率和碰撞安全性。

在建筑领域，力学行为模型可以用于设计高层建筑和桥梁的结构，以提高抗震性能和使用寿命。

此外，力学行为模型还可以用于仿真和预测复合材料的制造过程。

通过模拟复合材料的成型、固化和后处理过程，可以优化制造工艺，提高产品质量和生产效率。

总之，复合材料的力学行为模型是研究和应用复合材料的重要工具。

复合材料层压板低速冲击刚度退化方案仿真研究伊鹏跃，于哲峰，汪海（上海交通大学航空航天学院，上海200240 ）摘要：针对复合材料层压板低速冲击仿真，根据应力更新、材料弹性参数折减和基于应变渐进失效的不同刚度退化思路，改进传统损伤刚度折减方法，通过ABAQUS分别编写了三种刚度退化方案的VUMAT子程序，引入粘滞规律克服刚度退化的数值计算收敛困难，结合实验进行有限元仿真，研究比较了不同刚度退化方案下冲击响应的异同，结果表明：改进的三种刚度退化方案都可较准确地描述低速冲击下复合材料失效过程；应力更新方案，思路简单清晰，但失效过程应力变化剧烈，增量步数多，计算效率低；弹性参数折减方案中，根据失效模式调整折减系数，结合粘滞规律，响应平稳；前两种方案对冲击损伤形式只能定性，无法定量表征；而渐进失效方案引入合理的损伤变量，不但冲击响应连续而且能较好地表征材料损伤形式与程度。

关键词：复合材料低速冲击刚度退化VUMAT 有限元Stiffness degradation simulation methods for composite laminate subjected to low-velocity impactYI Pengyue, YU Zhefeng, WANG Hai(School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao T ong University, Shanghai200240,China)Abstract: To study simulation of composite laminate under low-velocity impact, stiffness reduction strategies based on stress updating , degradation of elastic constant and progressive damage have been modified and implemented in the user material subroutine (VUAMT) in ABAQUS. The difficulty of convergence in numerical calculationis overcome by viscous regularization. Differences between the three methods have been studied according to the finite element analysis and experimental data. Conclusions drawn from the comparison are that, the analytical results are ideal compared to test results. The three stiffness degradation process can describe the process of material damage exactly. Solution based on stress updating is simple and clear，but the number of increment and iteration is large due to stress varying greatly during material damage and computer calculation is inefficient. Elastic constant degradation is able to adjust the degraded coefficient based on damage mode. The impact response combining viscous regularization is ideal. Material damage mode is predicted but damage degree is unknown in this two ways. Progressive damage degradation is based on material progressive damage model and the response is continuous. Material damage mode and its degree can be well simulated.Key words:Composite; low-velocity impact; Stiffness degradation; VUMAT; Finite element analysis.引言复合材料由于具有高的比刚度和比强度、疲劳性能好等优点，在航空航天领域和其他现代工业中得到越来越广泛地应用。

复合材料蜂窝夹芯板仿真技术研究复合材料蜂窝夹芯板是一种结构独特、性能优越的新型材料，其在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域有着广泛的应用前景。

复合材料蜂窝夹芯板的设计与制造过程需要借助仿真技术来进行优化和验证，以确保其性能满足工程需求。

本文将从复合材料蜂窝夹芯板的结构特点、仿真技术研究现状和发展趋势等方面展开探讨，为相关领域的研究和应用提供参考。

一、复合材料蜂窝夹芯板的结构特点复合材料蜂窝夹芯板是由两层薄面板和中间的蜂窝夹芯组成的一种复合结构材料。

其主要结构特点包括以下几个方面：1. 质量轻：蜂窝夹芯板由于使用轻质材料，并采用蜂窝状的结构设计，使得整体重量较轻，适合用于要求重量轻的工程应用。

2. 高强度：蜂窝夹芯板的蜂窝结构能够有效地提高材料的抗压性能，使得其具有很高的强度和刚度。

3. 耐磨性：蜂窝夹芯板表面的面板材料通常采用耐磨材料，使得其具有较好的耐磨性能，适用于一些对表面质量要求较高的场合。

4. 隔热性能：由于蜂窝夹芯板中间是空心蜂窝结构，所以具有较好的隔热性能，适合用于一些需要隔热的环境。

5. 易加工：蜂窝夹芯板的加工性能较好，能够满足各种复杂的形状要求，便于实现定制化。

复合材料蜂窝夹芯板具有质量轻、高强度、耐磨性好、隔热性能优异和易加工等特点，因此在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域有着广泛的应用前景。

在复合材料蜂窝夹芯板的设计与制造过程中，借助仿真技术进行结构设计、性能优化和工艺验证是一种高效的途径。

目前，国内外对复合材料蜂窝夹芯板仿真技术的研究已经取得了一些进展，主要体现在以下几个方面：1. 结构模拟：利用有限元分析软件对蜂窝夹芯板的结构进行模拟，研究其在受力状态下的变形情况和应力分布，以验证设计参数的合理性。

2. 材料性能模拟：通过建立复合材料蜂窝夹芯板的材料本构模型，对其材料性能进行模拟分析，例如拉伸强度、弯曲刚度等，为工程设计提供依据。

3. 工艺模拟：借助虚拟现实技术，对复合材料蜂窝夹芯板的制造工艺进行模拟和优化，以提高生产效率和产品质量。