【Abaqus】Composite Layup建模

abaqus 的3个复合材料建模途径:

• 传统的material->section->orientation->step->job的建模方式
• Composite Layup建模方式
• Composite Modeler (CM) 插件-建模方式

本文是我对composite layup复合材料建模的理解和回顾，仅供参考。

composite layup manager支持三种单元类型:

• conventional shells(2d shells)
• comtinuum shells(3d shells)
• solid (solid elements)

1. composite layups and orientations

复合材料建模最关键的点是: 确定铺层顺序(layup sequence)和铺层方向(layup orientation).

在Abaqus/CAE中，通过从三个相对的参数(layup orientation、ply orientation和额外的旋转)中导出纤维的方向，使复合铺层过程更易于管理

1.1 layup orientation

layup orientation定义了layup中所有ply的基准方向(base orientation)。

在 conventional and continuum shell layups,abaqus会将选择的Datums坐标系投影到shell单元面,使得layup orientation的stacking direction和shell的normal方向一致。默认情况下是,3方向和normal方向一致。

In solid composite layups, the orientation is not projected.

ABaqus定义layup orientation的式:

1. 使用part global coordinate system
2. 指定一个基准坐标系( Coordinate system)
3. 使用Discrete orientation,可以为每个单元指定一个orientation
4. 使用Discrete field,定义 orientation discrete field来指定空间变化的orienation
5. 使用子程序ORIEN,但对EXPLICIT求解器无效

• Normal direction: 指定哪个坐标轴为复材的3-方向,默认是axis-3.
• additional rotation:如果使用2,3,4方式来定义layup orientation，则可以指定一个角度(以度为单位)，该角度定义了整个层叠围绕指定法线方向的附加旋转。可以使用标量离散场来指定空间变化的附加旋转角度。

1.2 ply orientation

ply orientation定义了每个ply在layup中的相对方向。和layup 同理,在conventional and continuum shell layups,ply orientation会被投影到shell单元面,使得ply orientation的stacking direction和shell的normal方向一致。see Defining the stacking and thickness direction

In solid composite layups , the orientation is not projected.就像下图:

Plies and ply orientations for shell and solid composite layups.

abaqus会根据CSYS和rotation angle来确定ply orientation。

• CSYS的选项:
  1. Layup : 使用layup orientation作为ply的坐标系
  2. 引用一个Datums坐标系,并指定normal direnction,e.g. Datum csys1.3 indicates that you chose Datum csys-1 to define the coordinate system of the ply, and you chose the 3-axis to define the normal.
• rotation angle: 这个选项用来定义每个层内纤维相对于层坐标系统的旋转角度
  1.如果指定一个旋转角度，则ply绕坐标系法线逆时针旋转，并且角度相对于1轴进行测量。

1.2.1 Case: Determining the orientation of each ply.

上图中说明:

• VerticalTape-1的铺层角度为0°,方位坐标系和layup一致,得到的ply方向是沿着layup orientation方向的1轴。
• VerticalTape-2d的铺层角度为90°,方位坐标系和layup一致,layup基准绕3轴逆时针(有手定则)转90度,得到ply方向
• DiagonalTape-1 的铺层角度为0°,方位坐标系选择Datum csys-1,Datums csys-1绕3轴逆时针转0度,得到ply方向
• DiagonalTape-2 的铺层角度为90°,方位坐标系选择Datum csys-1,Datums csys-1绕3轴逆时针转90度,得到ply方向

2. 从composite layup中获得输出

众所周知,应力,应变等输出变量是在积分点上输出的.在composite layup中,可以指定ply厚度方向上的积分点数;

使用 shell sections integrated during the analysis时,shell or continuum shell composite layup默认每个ply有3个积分点;solid composite layup默认每个ply只有1个积分点.可以修改,但需要是奇数

使用 pre-integrated shell sections时,每个ply有3个积分点,不可修改

具有三层的复合层的集成点编号规律如下:

如果不创建输出请求，Abaqus只从复合层的顶部和底部(最高和最低积分点)计算场变量输出;所以,如果需要从composite layup获得场变量输出,必须新建一个输出请求,并且指定输出域(Domain)为composite layup.e.g 从一个composite layup中获得应力,应变输出,输出位置为积分点2,3:

新建一个输出请求,输出域为composite layup,默认的输出位置为ply-middle

2.1 从特定的积分点获得输出

Abaqus/CAE从指定的积分点计算输出。积分点从底层的底部到顶层的顶部依次编号，其中底层是layup中的第一层。例如: 如果希望从下图中所示的每一ply的中间积分点输出应力，则需要输入2、5、8

3. 可视化composite layup结果

3.1 Ply stack plot

ply stack plot可以用来可视化composite layup的铺层顺序.

进入property模块,选择tools->Query->Ply Stack Plot,选中要查询铺层的区域,然后选择ply stack plot options可以定义可视化的选项.比如下图,可以显示每个ply的角度,厚度,材料,坐标系,积分点等信息.

3.2 Ply-based results

abaqus后处理支持查看composite layup的各个层的结果云图.也可以查看 envelope contour plot(maximum or minimum values across all of the plies in the layup.)

查看单个ply的结果云图

进入后处理模块,results->Section Points,选中ply,然后指定输出的积分点位置.

abaqus可以同时查看layup的顶面/底面位置的结果云图.conventional shell composite layup 表现为双面壳的云图,两侧的云图并不相同,分别为顶/底面位置的结果;continuum shell composite layup or solid composite layup则是分别在顶面,底面绘制云图.[see Selecting section point data by category]

Envelope plots(包络云图)

包络云图显示了复合材料layup的最大值或最小值变量分布.例如,单元100含有3个ply,每个ply的应力S11值分别为10,20,30.包络云图中显示的值则是10或者30.

此外,也可以输出quilt contour plot来展示每个单元中的临界层(critical ply)名称

想要绘制包络图,必须创建一个输出请求,并选择输出所有ply位置的变量

Through thickness X–Y plots

abaqus可以绘制厚度方向上的变量值分布,比如以下是通过13层复合材料铺层在纤维方向上的应变的贯穿厚度图。应变是不连续的，因为纤维的取向在层之间发生了变化

4. 三种 composite layup的建模

三种方式的选项,如果前文已经说明,后续不会重复说明.

4.1 conventional shell composite layup

conventional shell composite layup是由不同方向的不同材料组成的layup.这种方式使用传统的2d shell单元(常用的是S4R,S3R等)来模拟composite layup.

• section integration选项

可选:during 和before analysis两种方式.采用默认值(during analysis)即可,适用于绝大多数情况;如果分析涉及nonlinear material behavior和heat transfer,必须使用during analysis.(see Using a shell section integrated during the analysis to define the section behavior)

使用before analysis选项可以定义Linear moment-bending 和 force-membrane strain relationships(我猜大概是复合材料的CLT理论)此时所有的计算都是根据截面力和力矩的关系来进行的.section 属性通过弹性行为定义;此外在befor analysis的前提下还可以对壳的行为进行理想化处理( idealization)(see Using a general shell section to define the section behavior)

You should use pre-integrated composite layups if the response of the layup is linear elastic and its behavior is not dependent on changes in temperature or predefined field variables

四种理想化选项(pre-integrated),详见Idealizing the section response:

• No idealization,顾名思义
• Smeared properties,用于并不明确具体的铺层顺序的情况,比如设计方案中只说明了45度,90度,0度分别占比10%,50%,40%
• Membrane only,忽略弯曲刚度,只考虑in-plane行为
• Select Bending only,表示结构是pure-bending的

以下是定义conventional shell composite layup的界面,表格数据含义已在之前说明,需要注意: 这里的Thickness一列需要输入真实的厚度值,在Shell Parameters中,可以定义Shell thickness和Shell thickness variation等壳属性,在Offset下可以指定壳单元的refference surface.

• 定义reference surface的偏移值,偏移值是单元面到中面之距离与单元厚度值的比值

• Section Poisson's ratio选项

Section Poisson's ratio用于定义shell thickness behavior,在conventional shell element在大变形分析中允许有限的膜应变,截面泊松比能够使膜厚度随膜应变的变化而变化.

在Abaqus/Standard中，默认值为0.5，这使得对于membrane strains来说,单元强制不可压缩。在Abaqus/Explicit中，默认是基于元素材料定义来改变厚度。Section Poisson's ratio \(\nu_p\)的值必须在-1.0~0.5之间.0.0表示shell单元厚度为常数;$\nu_p<0$表示tensile membrane strains导致的shell thickness上升;

4.2 continuum shell composite layup

Abaqus的continuum shell composite layup使用comtinuum shell element离散，该单元类型具有基于壳理论的运动学行为,但却是3D单元,如SC6R,SC8R.

这种建模方式需要特别注意的是:

• comtinuum shell composite layup在厚度方向上应该只有一个单元,这个单元含有layup定义的所有plys;如果layup赋予的region在厚度上有多个单元,那么每个单元中都含有相应的plys;
• 在网格划分时,应该注意mesh stack direction,comtinuum shell composite layup可以模拟双面接触,以及厚度变化,因此相比于conventional shell composite layup在接触分析中精度更高.
• 对于section integration选项,使用默认即可.和conventianal shell composite layup一致的意思

4.3 solid composite layup

Composite solid elements are primarily intended for modeling convenience. They usually ==do not provide a more accurate solution ==than composite shell elements

大多数情况下,使用前两种建模方式已经满足需要.但如果有以下需求,建议使用solid composite layup:

1. 当横向剪切效应占主导地位时
2. 法向压力不能忽视
3. 需要精确的层间应力时，例如复杂载荷或几何形状的局部区域附近

建模时需要注意的有:

• 同样的,solid composite layup在厚度方向上应该只有一个单元;如果layup赋予的region在厚度上有多个单元,那么每个单元中都含有相应的plys.

• 在Abaqus/Standard中，实体单元可以含有几层不同的材料，用于分析laminated composite solids。在Abaqus/Explicit中，一个实体单元只能有一种均质材料;

• solid composite layup只用和具有位移自由度(1~6)的3d brick单元(如C3D8R,C3D6等),

更多理解see Defining composite solid elements in Abaqus/Standard,Modeling thick composites with solid elements in Abaqus/Standard

总结

三种建模方式,从精度来说,comtinuum shell composite layup 已经足够高了,使用solid composite layup并不能提供更高的精度.实际应用中,前两种方式已经足够

参考链接

• Understanding how contour values are computed
• Selecting the field output to display
• Reading X–Y data through the thickness of a shell
• Creating and editing composite layups
• Shell section behavior