Abaqus复合材料织物层板压溃分析

近期咨询复合材料层板压溃分析的特别多,原来是今年的“上纬杯”第五届全国大学生复合材料设计与制作大赛题目是“复合材料吸能柱结构”,于是,我们也凑凑热闹,做一个Abaqus复合材料织物波纹板压溃的案例。

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

波纹板压溃效果图
1
几何模型

几何形式为一段近似波纹板的结构,其草图如下:

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

拉伸50mm后形成几何实体,为了快速诱导压溃的产生,波纹板的顶部设置45°倒斜角,如下图所示。

层压板由织物组成,共8层,铺层顺序为[0/90]2s,板厚约2mm,逐层将几何进行切分,共切分出8层,如下图所示。

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

2
材料模型

该分析模型中的材料模型采用Abaqus内嵌的织物的VUMAT,该程序为内嵌程序,看不到源代码,但是我们可以直接填写材料参数,调用其本构就可以,电脑上也无需配置子程序。

面内织物及层间COHESIVE 的材料参数如下所示。

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

需要注意的是,调用该VUMAT子程序时,材料命名必须以“ABQ_PLY_FABRIC_”开头,且材料参数需要严格按照以下规则来定义:

inp中的材料格式如下:

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

inp文件中每行只能有8个数据,不够的补0即可。

为了在inp中实现上述格式,CAE中就需要特别注意预留空数据位置,按照以下顺序来定义可保证无误:

自定义材料中的1-8位定义弹性常数

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

9-16位定义强度,注意有空位

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17-24位定义断裂韧性,注意空位

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25-32定义剪切非线性

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

33-40定义材料失效相关参数

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

最终如下:

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

3
截面属性

该材料模型为二维织物材料,前面建立的几何是实体,因此在采用composite layup建模时,面内截面属性需要用continuum shell类型属性,由于曲板纤维方向不断变化,所以在定义层板坐标系的时候推荐使用离散坐标系。

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

层间界面采用基于解耦的拉伸-分离本构。

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

4
单元类型

层压板面内与continuum shell截面属性匹配的的单元类型也为连续壳单元,如SC8R。

为了模拟压溃过程中的分层损伤,在原始层板单元两层之间插入0厚度cohesive单元,Abaqus2016版本及以后版本可以直接在CAE中插入0厚度cohesive 单元了,不需要写程序咯,具体参见之前的文章“Abaqus 中创建零厚度cohesive单元的几种方法”,插入的零厚度cohesive单元默认是COH3D8P类型,是做水力压裂分析用的,切记要把它切换到COH3D8哈,此处不再赘述。

5
装配

创建完层压板,同时载创建一个离散刚体作为底部承载板和顶部加载板,每个刚体上均设置参考点,并赋予质量及惯性矩等属性,然后将零件装配到一起。

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

6
分析步类型

因为压溃过程中存在严重的刚度退化,隐式分析是几乎不收敛的,所以采用显式动力学求解器进行准静态分析,分析步类型选择“Dynamic/Explicit”,。

至于准静态分析中计算效率和计算准确度的矛盾,在之前的文章中也介绍过了,各位自行考量吧,鱼和熊掌不可兼得,有高性能计算机就尽量不用笔记本台式机。

7
接触设置

整个压溃过程中,除了上下加载板与波纹板之间有接触外,当某些层间cohesive单元或者层板单元删除后,裸露出来的新的单元面之间以及新的单元面与加载版之间都会产生新的接触,而这些内面接触默认是不考虑的,因此在设置通用接触的时候要特别注意创建内部接触。

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

8
边界载荷

底部支撑板固支,顶部加载板参考点上施加向下的位移或者速度,如果是位移加载的话,记得指定幅值曲线amplitude,准静态分析推荐smooth step类型哈。

9
创建任务

创建任务,提交计算就可以啦。出来的效果图就是这个样子的,条件允许的把加载速率放慢,把网格画细一点,效果会更好哈。

需要注意的是,即使采用了显式分析,如果单元删除参数不合理的话,中途也会出现因单元畸变而跳出的问题,这个自己去悟吧。10Abaqus复合材料织物层板压溃分析

整个加载过程中的载荷位移曲线如下图所示,后期会趋于稳定,震荡有些剧烈哈,加载速度放缓慢一些会好很多哈,感兴趣的自己去尝试咯。

Abaqus复合材料织物层板压溃分析

题外话:今年的“上纬杯”比赛题目是真的难,要求载荷不能高也不能低,对设计水平、计算能力都有很高的要求,看着这个题目自己就觉得脑袋疼,要么拿大量实验去测,要么把计算搞准确,然鹅,想算得准又是何其的难,本文及实例仅供参考,欢迎批评指正,欢迎探讨。

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