[第四章]ABAQUS CM插件中文手册

ABAQUS Composite Modeler

User Manual（zh-CN）

© Dassault Systèmes, 2018

注:

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2. 有些语句英文表达更易理解，则保留原文

4.Introduction

Composites Modeler是一个帮助设计、分析和制造层状复合材料结构的工具。本节概述了开发复合结构的一般过程，以及分析师和设计师用于定义复合结构模型的技术。然后验证Composites Modeler的具体功能和由此产生的好处。

4.1复合材料开发过程

一般复合材料的开发过程如下所示。

零件的基本几何形状通常由其功能或边界约束来确定。基本几何的定义通常由设计者使用CAD系统完成。

接下来，zone modeling 阶段开始，将结构划分为简化的区域，并指定基本的复合材料铺层。在zone model 中，不考虑材料层延伸到区域之外。基本的纤维方向是相对于一个坐标系统来指定的，但没有给出制造过程的细节，甚至没有给出材料表面上应用的顺序。

例如，在一个区域中，总铺层厚度将指定为5 mm，有50%的纤维在标称0方向，10%在+/-45度方向，剩下的在90度方向。这一阶段通常由分析师使用有限元分析系统来预测结构响应和确定区域大小以达到所需的性能。在这一阶段结束时，复合材料基本结构被定义，但没有考虑生产制造上的限制。

接下来，指定达到所需总厚度所需的层，并进行可生产性模拟。这是该过程中最耗时的部分，因为可能会发现有些ply甚至无法制造，因此必须将其分割成更小的部分，甚至完全重新设计。但这一阶段隐含地考虑了制造约束，并允许生成制造信息，例如平面图案形状。

最后，根据ply model完成了制造。在航空航天环境中，通常使用激光投影系统将层边界投影到模具上，以确保制造符合设计和分析模型。

4.2 用于分析和设计的复合材料模型

在复合材料开发过程中，设计师和分析师以不同的方式对复合材料结构进行建模，总结如下:

分析师在shell element或在与有限元相关的surface上定义zone和ply。The finite element model is a sufficiently detailed abstraction of the real component for the purposes of defining the response. 该模型与分析代码有非常密切的联系。这意味着可以非常快速地创建和分析模型。

相比之下，设计师使用几何表面和边界曲线来定义区域和层。这种方法更精确但耗时。通常，设计模型可以直接发送到制造厂。

比较两种不同的方法，分析师的方法以牺牲细节为代价要快得多。例如，在壳元素上定义层覆盖率每层需要几秒钟，而定义精确的边界曲线可能需要更长的数量级。因此，在结构性能非常关键且时间压力很大的情况下，例如在顶级赛车运动中，ply model 通常首先由分析师定义。相比之下，对于许多加载条件更简单且开发时间压力更小的航空航天部件，通常由设计者定义ply model。

4.3 Composites Modeler

Composites Modeler集成了一些工具，使分析工具（如Abaqus/CAE）的用户能够定义ply model、进行纤维模拟，并进行对复合材料结构的有效开发其他重要的计算和过程。

4.3.1 Ply Modeling

多年来，有限元建模系统一直支持zone composite model。在zone model中，zone上的“layer”不被认为延伸到zone之外。然而，除了最简单的real model 之外，ply drop-offs (where the ply does not cover the entire model) mean that multiple zones are needed to model even relatively simple ply layups.

例如，在下面显示的四个物理 layup （或“global” plyies）的简单ply layup中，假设单元法线是一致的，我们需要四个不同的zone定义来精确地建模layup。

更糟糕的是，对ply model 的微小更改就需要完全重新生成zone model。【在ABAQUS ，这是无比繁琐的，除非使用script】。

在上面的示例中，如果在element 4-6上添加了另一个Global Ply 5，则必须修改zone 4并在elem 4和6上创建新zone。

In practice, it is all but impossible to keep track of layers in a zone model as it is modified in all except the most trivial cases

当在求解分析模型之后对结果进行后处理时，出现了更多问题.对于zone model，结果是根据基于element orientation 的local layer 进行计算。因此，request 上面模型中ply 2 的结果时，将提供elem 1和6上ply 4、elem 2-4上的ply 2和elem 5上的ply 3的结果。这意味着，如果存在 ply drop-offs.，则不可能以任何有意义的方式解释局部层的应力结果。

这在元素法线不一致的情况下尤其如此，如果曲面有分支的话，这种情况总是会发生。为了解决这些问题，Composites Modeler允许用户定义在shell elem上的plies。ply zone由连续的elem组成，标称角度（nominal angle）由参考方向（通常是坐标系的x方向）定义。材料应用的第一个点为Seed point (用户定义)。层的顶部和底部由种子点处的应用方向（通常是坐标系的–z方向）定义。

注意，ply的顶部和底部与underlying elements的法线方向没有任何关系。

这意味着Composites Modeler可以用于建模element normals不一致、ply应用方向不同或模型包含表面分支的复杂ply layup，如下所示。

可以通过Composites Modeler的树视图快速有效地浏览ply模型。用户甚至可以选择铺层模拟结果，如展开和覆盖图案，以提供铺设特性的准确视图。Composites Modeler无缝地处理了从ply layup model 到软件求解所需elem property的转换。因此，对 ply model 进行快速更改并运行后续分析可以快速且一致地进行。生成Global ply identifiers，以便在分析代码支持的地方生成全局层结果。

综上所述，层建模允许用户有效地定义、修改和解释复合模型，即使对于具有复杂几何形状的结构也是如此。

Composites Modeler中的层建模示例在Beam_dropoff_revnormal和Fairing示例中给出。

4.3.2 Fiber Simulation

即使使用ply 建模，如果没有用于模拟铺层在车间铺覆的方法，通常也无法确定帘布层是否可生产，以及确定每个元件上的纤维取向。因此，Composites Modeler包括全面的纤维模拟功能，允许用户有效地预测组件的制造生产情况。

对于任何双曲面，用增强材料覆盖曲面的方法实际上有无限多种。一个简单的例子，考虑下图所示的带有半球形盖子的圆柱体。ply层的应用方式显然对ply层的可制造性和由此产生的纤维取向有很大的影响。这只能使用Composites Modeler的功能进行预测。

在左边的图片中，材料首先应用于双曲面的盖子。这会在材料中引起相当大的剪切，这意味着在不覆盖整个表面的情况下达到剪切极限。相比之下，在右边的图片中，材料首先应用于圆柱形区域，这是可展的（developable），因此不会引起剪切。这意味着，尽管双曲帽上的剪切力增加，但整个表面可以被覆盖。

除外，还生成了ply层的展开图案，这迫使织物以用户设想的方式覆盖表面。

总之，纤维模拟允许用户确定是否可以制造ply层，产生制造数据，实现材料剪切变形的可视化，并将纤维方向转移到分析模型。

hemisphere example提供了如何使用CompositesModeler模拟覆盖的介绍性说明。Drape_order和Drape_seedcurve_frame example中说明了更高级的铺覆技术。

4.3.3 Solid Model Generation

对于相对较厚的层压板，使用分层实体元件来恢复平面外应力并提供更好的接触定义是十分重要的。Composites Modeler具有将shell model自动拉伸为solid composite model的功能，从而生成solid element 和相应的property。

composite modeler 提供了许多方法以允许用户控制extrude 过程以生成具有所需拓扑的模型。下面显示了一些示例。

1. A new method that extrudes following the changing surface normal due to dropped off plies was added in release 2013.0913.

这方法可以保持更高质量的实体元素形状。同时，用户可以指定压降比（ drop off ratio），该压降比（ drop off ratio）允许锥形树脂区域在多个element上延伸。

2. 此外，Composites Modeler允许用户定义目标网格（target mesh），然后在源壳网格(source shell mesh)和目标网格（target mesh）之间创建实体元素。

3. Abaqus/Viewer可以可视化基于ply的应力结果以及层压板内ply的位置。这大大简化了实体模型中结果的可视化和解释，如下所示。

The example Beam_dropoff_revnormal provides an example of solid element modelling.

4.3.4 Composites Data Transfer

在复合材料开发过程中，如果可以在分析和设计之间交换ply模型，开发过程的效率将大大提高，如下所示。这意味着可以传输模型，而不是在目标环境中重新创建。

1. 如果先完成设计模型，则可以使用Simulayt's Composites Link product将CATIA V5 Composites Design模型导出为layup文件。如果该layup 文件基于analysis mesh，则可以直接将其导入Composites Modeler，或者由Composites modeler 将其映射到analysis mesh。如果使用FiberSIM，可以使用Composites Modeler将fmd/fml文件映射到分析网格上。
2. 如果先完成分析模型，则可以通过Composites Link product 将与分析模型对应的layup文件导入CATIA Composites Design，或导入FiberSIM。

example section 给出了从CATIA导入数据的示例。