Abaqus纤维增强复合材料柔性分析

01—概述

组件加固是许多领域的工程研究方向，增强组件研究点有强度增加、成本降低、重量减轻、耐久性增加等。本文介绍卷绕纤维增强组件的工艺过程，并使用Simulia Abaqus有限元软件了解工艺过程中涉及的变量。
 

一般不会对离散纤维进行建模，而只是对宏观材料属性进行定义，在Abaqus中定义可以模拟具有给定方向的纤维增强材料的正交各向异性材料也相对简单。但有时可能更有兴趣关注增强工艺，需花更多时间模拟实际纤维，即必须对纤维进行物理建模。
 

通常，卷绕纤维增强组件的工艺过程是通过纤维支架的轴向运动和心轴的旋转的组合，将浸渍纤维在组件周围滚动，如果想要建立这样的纤维模型，但需复杂的CAD绘图技能。另一种建模方案是模拟实际的卷绕过程，即模拟纤维在组件上的卷绕，初始几何形状将更加简单，只需要一个心轴（管状）和纤维，在这种情况下可以是长扁线，图1，通过模拟此工艺过程，能够获得期望的各向异性的玻纤增强模型。
 

图1 绕线工艺的初始几何
 

02—建模和分析结果

• 设置纤维缠绕模型
  纤维缠绕模型，将由心轴的旋转速度和平移速度决定。

图2 边界条件：模拟绕组过程

• 定义相互作用关系

随着心轴方向的变化，使用Cohesive接触防止已卷起的纤维将会失去已经实现的图形。

图3 定义纤维和心轴之间的粘合接触
 

其余分析的定义以创建Abaqus模型的标准方式进行，桁架Truss单元用于纤维模型，而离散刚体用于心轴定义。
 

• 缠绕工艺分析结果
  在一个方向上达到极限之后，心轴将向后移动（同时仍然旋转）以产生缠结的纤维编织。
  

图4 纤维围绕心轴卷绕
 

03 —Cohesive单元和Cohesive接触

• Cohesive单元

• Cohesive接触

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