复合材料有限元分析中损伤包络面积的计算方法

复合材料因其组份的多样性和各向异性，导致其构件设计制造阶段和服役使用阶段极易产生缺陷或损伤。在复合材料制作和固化过程中往往存在很多人为因素和工艺质量的不稳定性，这使得复合材料构件的质量具有一定的随机性。另外，在使用过程中，复合材料对冲击损伤非常敏感，如鸟撞、跑道砂石撞击、工具掉落等都有可能造成复合材料损伤。这些缺陷和损伤往往在材料表面毫无目视可见的痕迹，而在材料内部却出现纤维断裂、分层、脱粘等缺陷和损伤，大大降低了构件的承载能力。

为了及时准确地发现和检测出材料内部的缺陷和损伤，为进一步评价材料、结构的可靠性奠定基础，就需要引入无损检测。目前，针对复合材料常用的无损检测方法主要有目视法、超声波法、X射线法、光学法、微波法和声发射法等。

对于做有限元分析的人来讲，在预测结构损伤时，需要将计算所得的损伤包络及损伤包络面积与无损检测结果进行对比。那么，如何在有限元分析结果中获得准确的损伤包络及包络面积呢？笔者曾经用过最笨的方法是一个单元一个单元去数的，数来数去就晕了，今天就介绍以下Abaqus中的操作方法和工具。

一. 壳单元
       

这类单元实现起来最简单，例如以下层压板共八层，在冲击载荷下，每一层的基体损伤如下图所示。

如果想查看所有铺层基体损伤的最大包络面积，只需要点击Results→Section points菜单，并按下图所示进行设置即可。

此时显示的云图变成如下的形式：

然后，点击“Create Display Group”，并选择“Result Value”的分类型是，右侧填写相应的损伤区间数值，如下图所示。点击“Replace”之后，视图中将仅显示损伤的单元。

然后点击“Query information”快捷键，在弹出的工具栏中选择“Mass properties”，并在下方提示区选择“Select elements from viewport”，然后点击“Done”即可。上述操作完成后，在界面下方会出现损伤区域面积、体积、重心、质量等信息。

二. 连续壳元或实体单元
       

当采用连续壳单元或者实体单元模拟复合材料层压板且厚度方向有多个单元时，上述办法就不好用了，此时需要借助以下插件来完成。以下将对该插件进行详细的介绍。

1) 适用范围

• 仅限于含有多个铺层的复合材料平板零件，且零件平行于XY平面，即复合材料沿Z轴堆栈。
• 支持单元为8节点或6节点复合材料实体单元、连续壳元或cohesive单元，如C3D8、C3D8R、SC8R、COH3D8、COH3D6等，对于普通壳单元可以简单地通过视图隐藏切换来计算包络面积，故本插件开发时未针对壳单元。
• 默认统计变量大于等于1的单元的损伤情况（基础版）
• 因为需要对每个单元进行遍历，当损伤单元数量较大时，计算时间较长。

2) 安装方法

将插件复制到Abaqus工作目录或者安装目录下的abaqus_plugins文件夹内，如

D:\temp\abaqus_plugins

D:\SIMULIA\Abaqus\6.13-1\code\python\lib\abaqus_plugins

重启Abaqus/CAE，在plug_ins菜单中就可以看到该插件工具

3)使用方法

第一步：打开一个CAE模型，比如下图所示的复合材料开孔板模型，一共4层，顺序为0/90/45/-45的测试铺层。材料本构选择的是Abaqus自带的二维Hashin渐进失效模型。

第二步：提交计算，并打开计算结果odb文件，比如想查看基体拉伸损伤DAMAGEMT总包络面积。下图显示的是4个铺层各自的损伤面积，要根据每一层的损伤情况计算最大包络面积。

第1层

第2层

第3层

第4层

全部4层，半透明显示

第三步：打开plug_ins菜单中的“损伤包络面积计算工具”。如下图所示。具体参数说明如下：

Model：即选择要查看的结果所对应的模型

Part：在模型中选择要查看损伤面积的零件

ODB：选择要查看的结果文件

Step：指定要查看结果所在的分析步，如果只有一个分析步，默认会自动选择

Frame：指想要查看的结果所在的帧数，比如一共输出了100次场输出，想查看第90帧结果对应的损伤面积，就在框中输入89，默认-1表示查看第一帧结果，0表示查看第一帧结果，i-1表示查看第i帧结果。

Variable Name：就是自己想要查看的变量名称，比如Abaqus自带的二维hashin渐进失效模型中，DAMAGEFT代表纤维拉伸损伤，DAMAGEMT代表基体拉伸损伤等等，变量名别输错哦。

第四步：执行程序

点击“Calculate”按钮，开始执行，右下方会有进度条显示处理进度。

第五步：结果查看

程序执行完毕后，会在CAE界面下方打印出总的包络面积，如下：

同时，在CAE模型中会新增一个名为surface的平面零件，该平面即为所有铺层损伤面积的包络尺寸，如下图所示。

将该surface零件与原零件装配到一起可以对比查看损伤的总包络，如下图所示，比较直观一些（红线包络区域为损伤区域）。

4)其他测试

针对自定义VUMAT冲击损伤模型，上述程序也可以执行，例如以下冲击损伤模型，SDV_DMT代表的是基体拉伸损伤.

执行后的结果如下：

除了面内损伤，还可以看表征分层损伤的变量QUADSCRT和SDEG

目前仅提供Abaqus6.13 、Abaqus6.14、Abaqus2017、Abaqus2018四个版本的执行程序（非源代码），其他版本Abaqus无法保证可用。

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