Abaqus复合材料壳体建模：快速layup建模步骤

采用商业有限元软件Abaqus进行复合材料结构建模时，一般有两种建模方法：常规建模方法和Composite layup快速建模方法，主要差异在创建属性、赋属性和指定铺层坐标系方面，常规建模方法和一般商业软件类似，将创建材料、创建属性、赋属性和指定铺层坐标系四个步骤分离，通用性较强，尤其是对于包含UMAT/VUMAT子程序开发的复合材料分析模型或者是三维实体单元显式动力学分析模型，仅支持该类建模方法；Composite layup快速建模方法将创建属性、赋属性和指定铺层坐标系三部分内容集成在一起，可一次性完成设置，效率较高。本文先从最基本的常规建模方法讲起。

本篇将介绍采用Composite layup实现快速建模，两篇有明显差异的地方用红色字体进行了标注，以利于区分。同样先介绍复合材料壳单元模型快速建模方式。

第1步：绘制几何

在Part模块下绘制几何，几何类型为3D-Deformable- Shell，草图如下：

绘制完草图后，退出草图，得到开孔板的几何模型，如下：

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，在跳出窗口中选择Mechanical→Elasticity→Elastic选项，在材料类型下拉框中选择Lamina，如下图所示。

表格中的6个数据分别为纵向（沿纤维方向）弹性模量、横向（垂直于纤维方向）弹性模量、面内泊松比以及三个方向的剪切模量。与其他商业有限元软件不同的是，即使是对于二维材料模型，仍然需要输入面外的剪切模量G13和G23，这两项数据是用于定义壳的横向剪切行为。

一个复合材料分析模型中可以包含多种材料模型，例如不同的铺层采用不同的材料。

第3步：创建铺层坐标系

点击创建坐标系按钮，有三种坐标系可以选择：直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系。可根据自己的结构特征选择合适的坐标系，针对本模型，选择直角坐标系，然后指定坐标原点、X轴方向以及XY平面即可。

第4步：赋属性

此处是与传统建模方法差异最大的地方，点击创建composite layup按钮，选择Conventional Shell普通壳单元类型，如下图所示。

点击Continue之后，进入以下界面，在Layup Orientation中选择Coordinate system方式，并选择之前创建的铺层坐标系。Normal direction默认Axis3方向即可，附加角度默认设置。截面积分方式同上一篇，此处不再赘述。

然后在下方的表格中一次输入或选择铺层名称（会自动命名）、铺层区域、铺层材料材料（可以有多种材料）、铺层绝对厚度、单层的局部坐标系（默认就是前面选择的铺层坐标系）、铺层角度及积分点数量（壳单元默认为3）。

类似地，在上述表格中可不不断将铺层角度在0°、45°、90°及-45°之间不断切换来检查模型坐标系设置的对错与否，效果如下图所示。

第5步：创建装配

将视图切换到Assembly模块，点击创建实例按钮，进入以下界面：

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。

第6步：划分网格

将视图切换到Mesh模块，进行网格划分，一般建议创建完几何之后，优先划分网格再去设置边界、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，因此将划分网格这一步提前。

首先是设置网格密度，共有两个按钮，，左侧的为全局网格密度设置，右侧为局部网格密度设置，可以对特别的边线或者面设置不同的网格密度.

在设置网格时，如果出现以下提示，是因为创建实例时选择了Dependent类型，此类实例仅能在零件下划分网格或设置网格属性。

解决办法是将网格划分的对象由Assembly切换到Part，如下图所示。

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。

然后点击网格划分按钮去划分网格，划分网格以后视图如下：

可以通过网格控制按钮来设置单元形状和网格生成算法，

还可以通过单元类型设置按钮设置单元类型，默认的是四节点减缩积分单元S4R。

第7步：设置分析步

将视图切换至Step模块，点击按钮创建分析步，常用的分析步类型有Static,General和Dynamic,Expicit两种，本案例选择Static,General类型，创建一个静力分析步。

分析步总时间默认为1秒，增量设置可以按下图进行修改。

第8步：设置输出

复合材料常规建模方式中，我们曾提到，如果要查看每一层的应力应变或变形，需要进行特殊设置，在Output at layered section points中应输入所有的截面点编号，比如壳单元有四层铺层，每一层有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场变量数据，如下图所示。

但是，当采用Composite layup快速建模时，场输出时可以直接针对所建立的layup进行输出，如下图所示：

如果有多个零件或者多个composite layup，则需要设置多个场输出，默认针对铺层仅输出应力、应变、损伤因子、损伤状态等信息，不会输出变形，因此建议保留系统自动生成的针对whole model的默认输出。否则，在视图中仅能看到应力、应变等云图，看不到结构变形。

第9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，一端给定拉伸位移1mm，此处略去。

需要注意的是，边界和载荷在整个建模过程中属于最不起眼、最容易被忽视的步骤，但同时也是对计算结果影响最大的因素之一，万不可小觑。

第10步：创建任务

切换到Job模块，创建任务，提交计算。与传统模型无异，此处略去。

第11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后处理界面。

查看应力时，默认显示的是第一层应力水平。

当需要查看每一层应力水平时，点击菜单Result→Section Points，如下图所示，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，如下图所示。

第1层应力水平

第2层应力水平

【完结】

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