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复材基础建模分类
在开始之前，先归纳总结一下Abaqus中复合材料结构的两类主要的建模方法，第一类就是本文后面要详细展开讲述的最基本的Abaqus复合材料建模方法，之前曾将其定义为“传统建模”（达索官方教程称这类建模叫Macro建模方法，为了便于跟composite layup快速建模区分开，自己就习惯叫“传统建模”或“经典建模”了，没想到后来被Victor经典案例分享公众号直接抄袭了）。这种方法是早期有限元软件常用的建模方法，延续了各向同性材料的建模思路，不同的区域创建并赋予不同的截面属性，类似Nastran，hyperworks都是这种建模思路。后来Abaqus又增加了Composite layup建模方法，效率比较高，并且这种建模思路呢，就有点跟CAD复材制图的思路很像了，比如CATIA 的CPD模块，创建一个铺层序列，然后单独去指定每一个铺层所占据的位置，相当便捷。
为了有便捷建模方法却还要将经典的建模方法呢？因为在自己开发子程序的时候，比如UMAT或者 VUMAT子程序，只能采用经典建模方法，另外，还有显式分析中，当使用三维材料模型时，也只能使用这种建模方法。
一般对于大尺寸复合材料结构，跨厚度比例大，满足板壳理论的假设，采用壳单元就能获得高的求解精度。壳单元计算效率高，结合二维损伤起始判据判据（Hashin, Tsai-Wu, Maxe, Maxs等）以及损伤演化准则还可以预测结构的危险区域、危险程度、破坏模式及破坏载荷等。
本文讲述Abaqus中如何创建普通壳单元的复合材料开孔板结构有限元模型，模型中仅考虑对结构变形、应变、应力的求解，不涉及损伤起始及损伤演化部分。
以下为复合材料开孔板壳单元模型的建模步骤。
第1步：绘制几何
在Part模块下绘制几何，几何类型选择3D、Deformable、Shell，草图如下：
开孔板草图
绘制完草图后，点击鼠标中键或视图中的“Done”退出草图，得到开孔板的几何模型，如下：
开孔板草图
第2步：创建材料
与复合材料壳单元对应的是2D材料模型Lamina，将视图切换至“Property”模块，点击创建材料按钮 
数据列表中的6个数据分别为纵向（沿纤维方向）弹性模量E1、横向（垂直于纤维方向）弹性模量E2 （是下标）、面内泊松比Nu12以及三个方向的剪切模量G12、G13、G23。与其他商业有限元软件略有不同的是，即使是对于二维材料模型，仍然需要输入两个面外的剪切模量G13和G23，这两项数据是用于定义壳的横向剪切刚度，不可缺少。一个复合材料分析模型中可以包含多种同类材料模型，例如层压板内部采用碳纤维增强树脂基复合材料，表层可以采用玻璃纤维增强树脂基复合材料。
第3步：创建截面属性
点击创建属性按钮 
点击“Continue”，进入截面属性设置界面（下图）。该界面中首先要定义的是截面属性积分方式，有两种积分方式可供选择：During analysis和Beforeanalysis，默认的是第一种。During analysis积分方式会在计算过程中，每个增量步重新计算截面属性，计算量较大，但准确度高，当材料有明显非线性（ 塑性、损伤后刚度退化等）时，建议使用During analysis；Before analysis是在计算之前对截面属性进行预积分，分析过程中截面属性不再变化，计算量小。厚度方向积分算法默认为“Simpson”积分。
该界面中第二个要定义的是铺层信息表，共5列，分别是Material（铺层材料）、Thickness（铺层绝对厚度）、Orientation Angle（铺层角度）、Integration Points（单层厚度方向积分点数量）、Ply Name（铺层名称）。表格行数根据实际铺层数量来定义，可复制、粘贴、添加、删除和修改铺层信息。
采用经典建模方法时，当整个结构中不同区域铺层材料或者铺层顺序发生变化时，需要创建多个截面属性与各个铺层分区一一对应。
截面属性设置
第4步：赋属性
点击赋属性按钮 
赋予截面属性
当几何结构被赋予属性时，颜色会由默认的灰色变成浅绿色。如果同一位置被多次赋予属性，几何会呈现黄色，此时应注意检查属性设置，删除多余的属性设置。
图3-7 含属性结构显示效果
第5步：指定铺层坐标系
复合材料分析模型与金属结构分析模型不同，由于材料具有各向异性，因此还需要额外指定铺层坐标系，铺层坐标系的X轴方向要与整个铺层序列中0°层的纤维方向一致。
点击创建坐标系按钮 
创建直角坐标系
坐标系创建完成以后，点击指定材料方位按钮，然后选择创建好的坐标系，并指定法向方向和附加的旋转角度，一般壳单元默认设置即可，在设定材料方位时，视图中几何模型上会显示相应的局部坐标系，可以将Additional Rotation附加旋转角度在0°、45°、90°及-45°之间不断切换来检查模型坐标系设置是否合理。
铺层坐标系设置及检查
第6步：铺层检查（可选）
材料属性、铺层信息以及铺层方位设置完成以后，可以通过“Query information” 
铺层信息检查
第7步：创建装配
将视图切换到“Assembly”装配模块，点击创建实例按钮，进入以下界面
创建装配实例
创建实例有两种方式，一种是基于自身模型的Part创建，一种是基于其他模型创建，会将所选择的模型中的实例导入到当前模型下。
创建完实例之后，视图中会出现蓝色装配体。
生成装配实例
第8步：划分网格
将视图切换到“Mesh”模块，进行网格划分，一般建议几何创建或导入完成之后，优先划分网格，然后再去设置边界、载荷、接触等信息，对于复杂结构，在网格划分过程中需要对结构进行切分，切分会破坏原始构型，导致先前设置的边界、载荷、接触等信息丢失，造成工作反复，将划分网格步骤提前可避免上述问题。
首先是设置网格密度，共有两个按钮， 
网格划分警告
在全局网格密度设置界面下设定近似全局网格尺寸为2mm，其他默认设置。
网格密度设置
然后点击按钮 
网格示意图
可以通过网格控制按钮 
网格控制算法
还可以通过单元类型设置按钮 
单元类型设置
第9步：设置分析步
将视图切换至“Step”模块，点击按钮创建分析步 
选择分析步类型
分析步总时间默认为1秒，其他默认设置。
设置分析步
第10步：设置输出
Abaqus中的输出有两类，场输出和历史输出，场输出适合针对大量的对象进行低频次输出，如查看应力、应变及变形云图；历史输出则适合针对少量的对象进行高频次输出，如监控系统能量或者绘制载荷位移曲线等。
另外需要注意的是，复合材料结构在设置场输出变量时与各向同性材料不同，针对复合材料结构，默认场输出仅输出上下表层应力应变等信息，不会输出中间层信息，因此需要进行特殊设置。如下图所示，在“Output at layered section points”中输入所有的截面点编号，比如壳单元中有四层铺层，每一层厚度方向有3个截面点，则一共需要输入12个截面点才能保证后处理中能查看所有铺层的变量数据。
复合材料结构场输出设置
第11步：设置边界和载荷
视图切换到“Load”模块，设置边界条件和载荷。与常规各向同性材料模型一样，一端设置固支，另一端给定拉伸位移1mm。
需要注意的是，边界和载荷在整个建模过程中属于最容易被忽视，但同时也是对计算结果影响最大的因素之一，设置边界与载荷时应尽可能保证与真实结构受载和约束一致。
施加约束及位移载荷
第12步：创建任务
切换到“Job”模块，创建任务，提交计算。
第13步：查看结果
计算完成后，在“Job”模块下点击“Results”按钮，可直接打开结果文件并跳转至“Visualization”后处理模块。
查看应力或应变等信息时，默认显示的是第一个铺层的计算结果。
默认第一层应力云图
当需要逐层查看应力水平时，点击菜单Result→Section Points，在下图所示的弹出窗口中，切换至Plies选项，将会出现在截面属性中定义的所有铺层，每一层的输出位置又分为上中下三个位置。
按铺层查看应力
将铺层顺序调整为[0/45/90/-45]s时，不同铺层的应力云图对比如下。
不同铺层角度应力对比
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