结构力学仿真软件：ABAQUS：ABAQUS复合材料结构分析技术教程_2024-08-09_08-20-29.Tex
结构力学仿真软件：ABAQUS：ABAQUS复合材料结构分析技术教程
绪论
复合材料的基本概念
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法组合而成的新型材料。这些材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料具有优于单一材料的特性，如更高的强度、更好的耐热性、更轻的重量等。复合材料的结构力学分析，尤其是对于层压复合材料，需要考虑材料的各向异性、层间效应以及损伤机制等复杂因素。
ABAQUS软件简介
ABAQUS是一款功能强大的有限元分析软件，广泛应用于结构力学、热力学、流体力学、电磁学等领域的仿真分析。在复合材料结构分析方面，ABAQUS提供了丰富的材料模型和分析工具，能够精确模拟复合材料的非线性行为、损伤演化以及失效模式。ABAQUS的复合材料分析模块支持多种复合材料模型，包括层压复合材料、纤维增强复合材料等，能够进行静态、动态、热力学和疲劳等多物理场耦合分析。
复合材料的建模与分析
材料属性定义
在ABAQUS中，复合材料的材料属性可以通过Material命令来定义。例如，定义一种各向异性材料，可以使用以下代码：
# 定义各向异性材料属性
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from odbAccess import *
session.Viewport(name='Viewport: 1', origin=(0.0, 0.0), width=128.0, height=96.0)
session.viewports['Viewport: 1'].makeCurrent()
session.viewports['Viewport: 1'].maximize()
# 创建材料
myModel = mdb.models['Model-1']
myMaterial = myModel.Material(name='CompositeMaterial')
# 定义各向异性弹性属性
myMaterial.Elastic(type=ANISOTROPIC, table=((100000.0, 0.3, 0.3, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0),))
# 定义损伤模型
myMaterial.DamageInitiation(table=((0.001, 0.001),))
myMaterial.DamageEvolution(type=ENERGY, table=((1.0, 0.0),))
上述代码中，我们首先创建了一个名为CompositeMaterial的材料，然后定义了其各向异性的弹性属性和损伤模型。各向异性弹性属性通过一个9元素的元组来定义，分别对应于材料在不同方向上的弹性模量和泊松比。
结构建模
ABAQUS支持通过Part命令创建复合材料结构模型。例如，创建一个层压复合材料板：
# 创建层压复合材料板
myPart = myModel.Part(name='CompositePlate', dimensionality=THREE_D, type=DEFORMABLE_BODY)
# 创建参考点
myPart.ReferencePoint(point=(0.0, 0.0, 0.0))
# 创建壳单元
myPart.Shell(sketch=mySketch, material='CompositeMaterial', thicknessType=UNIFORM, thickness=0.1,
thicknessField='', nodalThicknessField='', poissonDefinition=DEFAULT,
thicknessModulus=None, temperatureDependency=OFF, dependencies=0,
offset=0.0, offsetType=MIDDLE_SURFACE, offsetField='',
offsetFactor=None, temperature=GRADIENTS, useDensity=OFF,
integrationRule=SIMPSON, numIntPts=5)
在创建复合材料结构模型时，需要指定材料属性、厚度、单元类型等参数。壳单元是复合材料结构分析中常用的单元类型，能够较好地模拟复合材料板的弯曲和剪切行为。
边界条件与载荷
定义边界条件和载荷是结构分析的关键步骤。在ABAQUS中，可以通过Step和BoundaryCondition命令来实现：
# 定义分析步
myStep = myModel.StaticStep(name='Step-1', previous='Initial', initialInc=0.1, maxNumInc=100,
stabilizationMethod=DAMPING_FACTOR, stabilizationMagnitude=0.005)
# 定义边界条件
myPart.Set(name='Set-1', vertices=myPart.vertices.findAt(((0.0, 0.0, 0.0),)))
myStep.DisplacementBC(name='BC-1', createStepName='Step-1', region=myPart.sets['Set-1'],
u1=0.0, u2=0.0, u3=0.0, ur1=UNSET, ur2=UNSET, ur3=UNSET,
amplitude=UNSET, fixed=OFF, distributionType=UNIFORM)
# 定义载荷
myPart.Set(name='Set-2', faces=myPart.faces.findAt(((1.0, 1.0, 0.0),)))
myStep.Pressure(name='Load-1', createStepName='Step-1', region=myPart.sets['Set-2'],
distributionType=UNIFORM, field='', magnitude=100.0,
amplitude=UNSET)
边界条件如固定端和载荷如压力或力，需要在特定的分析步中定义。上述代码中，我们定义了一个静力分析步，并在结构的一端施加了固定边界条件，在另一端施加了均匀的压力载荷。
结果后处理
ABAQUS提供了丰富的后处理工具，可以分析和可视化仿真结果。例如，提取应力和应变数据：
# 打开ODB文件
myOdb = session.openOdb(name='CompositePlate.odb')
# 获取最后一步的应力和应变数据
myStep = myOdb.steps['Step-1']
myFrame = myStep.frames[-1]
myStress = myFrame.fieldOutputs['S']
myStrain = myFrame.fieldOutputs['E']
# 打印应力和应变数据
for key, value in myStress.items():
print(f'Stress at {key}: {value}')
for key, value in myStrain.items():
print(f'Strain at {key}: {value}')
通过上述代码，我们可以从ODB文件中读取仿真结果，并提取特定分析步的应力和应变数据。这些数据对于理解复合材料结构的受力状态和损伤机制至关重要。
结论
ABAQUS作为一款先进的结构力学仿真软件，提供了强大的工具和功能，能够精确分析复合材料结构的力学行为。通过定义材料属性、创建结构模型、施加边界条件和载荷，以及进行后处理分析，可以全面评估复合材料结构的性能和可靠性。掌握ABAQUS的复合材料分析技术，对于从事复合材料设计和研究的工程师和科学家来说，是必不可少的技能。
ABAQUS复合材料建模基础
材料属性定义
在ABAQUS中定义复合材料的属性，首先需要理解复合材料的基本构成和其力学行为。复合材料通常由基体(matrix)和增强纤维(reinforcement)组成，其性能在不同方向上可能有显著差异，这被称为各向异性(anisotropy)。定义复合材料属性时，主要关注以下几个方面：
- 基体和纤维的属性：包括弹性模量、泊松比、密度等。
- 层合板的铺层方向：纤维的方向对复合材料的性能有直接影响。
- 损伤和失效模型：复合材料在受力时的损伤和失效机制。
示例：定义各向异性复合材料
# ABAQUS Python Script for defining anisotropic composite material properties
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 执行初始化
executeOnCaeStartup()
# 创建材料
myMaterial = mdb.models['Model-1'].Material(name='Composite')
# 定义各向异性弹性属性
myMaterial.Elastic(table=((130.0e3, 10.0e3, 10.0e3, 0.3, 0.0, 0.0, 0.3),), type=ENGINEERING_CONSTANTS)
# 定义密度
myMaterial.Density(table=((1.5e-9, ),))
# 定义损伤和失效模型
myMaterial.DamageInitiation(table=((100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0),),
damageDefinition=MAX_EQUIV_STRESS,
type=JOHNSON_COOK)
复合材料层合板建模
复合材料层合板是由多层不同方向的复合材料层堆叠而成，每层的材料属性和方向可能不同。在ABAQUS中，可以通过定义层合板的铺层顺序和方向来模拟这种结构。
示例：创建复合材料层合板
# ABAQUS Python Script for creating a composite laminate
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 执行初始化
executeOnCaeStartup()
# 创建层合板
myLaminate = mdb.models['Model-1'].CompositeLayup(name='Laminate-1',
description='A composite laminate',
elementType=S4R,
symmetric=False)
# 添加铺层
myLaminate.CompositePly(plyName='Ply-1',
material='Composite',
thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,
thickness=0.125,
orientationType=SPECIFY_ORIENT,
orientationAngle=0.0,
additionalRotationType=ROTATION_NONE)
# 添加第二层，方向为90度
myLaminate.CompositePly(plyName='Ply-2',
material='Composite',
thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,
thickness=0.125,
orientationType=SPECIFY_ORIENT,
orientationAngle=90.0,
additionalRotationType=ROTATION_NONE)
网格划分技术
网格划分是有限元分析中的关键步骤，对于复合材料结构，正确的网格划分可以提高分析的准确性和效率。ABAQUS提供了多种网格划分技术，包括自动划分和手动划分。
示例：自动网格划分
# ABAQUS Python Script for automatic meshing
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 执行初始化
executeOnCaeStartup()
# 选择要划分网格的部件
part = mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']
# 设置网格划分控制
part.setMeshControls(regions=part.sets['Set-1'],
technique=QUAD,
algorithm=ADVANCING_FRONT,
elemShape=QUAD,
minSize=0.01,
maxSize=0.1)
# 生成网格
part.generateMesh()
手动网格划分
手动网格划分允许用户更精细地控制网格的形状和大小，对于复杂几何或需要高精度分析的区域特别有用。
# ABAQUS Python Script for manual meshing
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 执行初始化
executeOnCaeStartup()
# 选择要划分网格的部件
part = mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']
# 创建种子
part.seedPart(size=0.05, deviationFactor=0.1, minSizeFactor=0.1)
# 创建网格
part.generateMesh()
在手动网格划分中，用户可以指定种子的大小，这将直接影响生成的网格的大小。deviationFactor和minSizeFactor用于控制网格大小的变化范围，确保在几何变化较大的区域也能生成合适的网格。
以上示例展示了如何在ABAQUS中定义复合材料属性、创建层合板以及进行网格划分。这些步骤是进行复合材料结构分析的基础，通过调整材料属性、铺层顺序和网格划分参数，可以精确模拟复合材料在不同条件下的行为。
ABAQUS复合材料结构分析流程
前处理：模型建立与边界条件设置
模型建立
在ABAQUS中进行复合材料结构分析，首先需要建立一个准确的模型。这包括定义几何形状、材料属性、网格划分等步骤。
定义几何形状
- 使用：
Part模块创建复合材料结构的几何模型。 - 示例：
from abaqus import * from abaqusConstants import * from caeModules import * from part import * # 创建一个复合材料板的模型 myModel = mdb.models['Model-1'] myPart = myModel.ConstrainedSketch(name='__profile__', sheetSize=200.0) myPart.rectangle(point1=(0.0, 0.0), point2=(100.0, 50.0)) myPart = myModel.Part(name='CompositePlate', dimensionality=TWO_D_PLANAR, type=DEFORMABLE_BODY) myPart.BaseShell(sketch=myPart)
定义材料属性
- 使用：
Material模块定义复合材料的属性。 - 示例：
from material import * # 定义复合材料 myModel.Material(name='CompositeMaterial') myModel.materials['CompositeMaterial'].Elastic(type=ISOTROPIC, table=((100000.0, 0.3),)) myModel.materials['CompositeMaterial'].Density(table=((1.5e-9,),))
网格划分
- 使用：
Mesh模块进行网格划分。 - 示例：
from mesh import * # 网格划分 myPart = myModel.parts['CompositePlate'] myPart.seedPart(size=5.0, deviationFactor=0.1, minSizeFactor=0.1) myPart.generateMesh()
边界条件设置
- 使用：
BoundaryCondition模块设置边界条件。 - 示例：
from boundaryCondition import * # 设置固定边界条件 myModel.DisplacementBC(name='FixedBC', createStepName='Initial', region=myPart.sets['Set-1'], u1=0.0, u2=0.0, ur3=0.0, amplitude=UNSET, fixed=ON, distributionType=UNIFORM)
求解设置：载荷与分析步
定义载荷
- 使用：
Load模块定义载荷。 - 示例：
from load import * # 定义面载荷 myModel.Pressure(name='PressureLoad', createStepName='Step-1', region=myPart.faces['Face-1'], distributionType=UNIFORM, field='', magnitude=100.0)
创建分析步
- 使用：
Step模块创建分析步。 - 示例：
from step import * # 创建线性静态分析步 myModel.StaticStep(name='Step-1', previous='Initial', description='', timePeriod=1.0, nlgeom=OFF)
后处理：结果可视化与解释
结果可视化
- 使用：
Visualization模块查看和分析结果。 - 示例：
from visualization import * # 打开结果文件 odb = session.openOdb(name='CompositePlate.odb') # 创建一个结果图 session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=odb) session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(DEFORM_ON, ))
结果解释
- 使用：分析应力、应变、位移等结果。
- 示例：
# 获取最大位移 maxDisplacement = odb.rootAssembly.instances['CompositePlate-1'].nodeSets['Set-1'].nodes[0].displacement print('最大位移:', maxDisplacement) # 获取最大应力 maxStress = odb.rootAssembly.instances['CompositePlate-1'].elementSets['Set-1'].elements[0].stress print('最大应力:', maxStress)
以上示例展示了如何在ABAQUS中进行复合材料结构分析的基本步骤，包括模型建立、边界条件设置、载荷定义、分析步创建以及结果的可视化和解释。通过这些步骤，可以有效地模拟复合材料在不同载荷下的行为，为设计和优化提供关键数据。
复合材料损伤与失效分析
损伤模型理论
复合材料的损伤模型理论主要关注材料在受到载荷作用时，其内部微观结构如何逐渐破坏，最终导致材料失效的过程。这一理论的核心在于理解复合材料的损伤机制，包括纤维断裂、基体裂纹、界面脱粘等，并通过数学模型来描述这些损伤过程。在ABAQUS中，复合材料损伤模型通常基于连续损伤力学（CDM）理论，该理论将损伤视为材料属性的退化，通过定义损伤变量来表征材料的损伤状态。
理论基础
连续损伤力学理论假设损伤是一个连续的过程，而不是离散的事件。损伤变量 D D D通常定义为0到1之间的值，其中0表示材料未损伤，1表示材料完全失效。ABAQUS中的损伤模型可以是各向同性的，也可以是各向异性的，以适应复合材料的特性。
损伤演化方程
损伤演化方程是描述损伤变量随载荷变化的数学表达式。一个简单的损伤演化方程可以是：
# 假设的损伤演化方程
def damage_evolution(stress, strain, D):
"""
计算损伤变量D的演化。
参数:
stress: 应力张量
strain: 应变张量
D: 当前损伤变量
返回:
D_new: 更新后的损伤变量
"""
# 以最大剪应力为例
max_shear_stress = max(abs(stress[1, 2]), abs(stress[2, 1]), abs(stress[0, 1]), abs(stress[1, 0]), abs(stress[0, 2]), abs(stress[2, 0]))
# 设定损伤阈值
damage_threshold = 100.0
# 损伤变量更新
if max_shear_stress > damage_threshold:
D_new = D + (max_shear_stress - damage_threshold) / damage_threshold
else:
D_new = D
return min(D_new, 1.0)
ABAQUS中的损伤分析方法
在ABAQUS中进行复合材料的损伤分析，主要通过定义材料属性、损伤准则和损伤演化规则来实现。ABAQUS提供了多种内置的损伤模型，如Hashin准则、Tsai-Wu准则等，同时也支持用户自定义损伤模型。
定义损伤准则
ABAQUS中的损伤准则通常基于材料的应力和应变状态。例如，Hashin准则是一种常用的复合材料损伤准则，它分别定义了纤维和基体的损伤条件。
# ABAQUS中定义Hashin损伤准则的示例
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from odbAccess import *
from visualization import *
# 创建材料属性
material = session.Material(name='Composite')
material.CompositeDamageInitiation(table=((100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0),),
type=HASHIN,
definition=STRESS,
tension=ON,
compression=ON)
# 定义损伤演化规则
material.CompositeDamageEvolution(type=ENERGY,
definition=STRAIN,
damageThreshold=100.0,
damageStabilizationMethod=NONE)
进行损伤分析
在ABAQUS中，一旦定义了损伤准则和演化规则，就可以在模型中应用这些材料属性，并通过求解器进行损伤分析。
# 在ABAQUS中应用损伤分析的示例
# 创建模型
model = mdb.models['Model-1']
# 定义截面
section = model.Materials['Composite'].CompositeSolidSection(name='CompositeSection',
layup=())
# 应用截面到模型的实体
part = model.parts['Part-1']
part.SectionAssignment(region=part.cells[:], sectionName='CompositeSection')
# 定义载荷和边界条件
# ...
# 创建分析步
model.StaticStep(name='DamageAnalysis', previous='Initial',
maxNumInc=1000,
initialInc=0.1,
nlgeom=ON)
# 提交分析
mdb.Job(name='Job-DamageAnalysis', model='Model-1',
description='', type=ANALYSIS,
atTime=None, waitMinutes=0, waitHours=0,
queue=None, memory=90, memoryUnits=PERCENTAGE,
getMemoryFromAnalysis=True,
explicitPrecision=SINGLE,
nodalOutputPrecision=SINGLE).submit()
失效准则与应用
失效准则用于判断复合材料结构是否达到失效状态。在ABAQUS中，可以通过定义损伤变量的阈值来实现这一功能。当损伤变量 D D D达到或超过1时，材料被认为已经失效。
应用失效准则
在ABAQUS中，可以通过监测损伤变量 D D D的变化来判断材料是否失效。这通常在后处理阶段进行，通过分析损伤变量的分布和演化，来评估复合材料结构的损伤状态和安全性。
# 在ABAQUS中应用失效准则的示例
# 打开ODB文件
odb = session.openOdb(name='Job-DamageAnalysis.odb')
# 获取损伤变量D的分布
damageField = odb.steps['DamageAnalysis'].frames[-1].fieldOutputs['DAMAGE']
# 分析损伤变量D的分布
for elem in damageField.elementValues:
if elem.data[0] >= 1.0:
print("Element %s has failed." % elem.elementLabel)
通过上述步骤，可以详细地分析复合材料在不同载荷条件下的损伤和失效行为，为复合材料结构的设计和优化提供科学依据。
ABAQUS高级分析技术
非线性分析
原理
非线性分析在ABAQUS中用于解决材料、几何或边界条件非线性问题。材料非线性包括塑性、蠕变、超弹性等；几何非线性涉及大变形、大应变；边界条件非线性则涵盖接触、摩擦等现象。ABAQUS通过迭代求解器处理这些非线性，逐步逼近真实解。
内容
- 材料非线性：定义材料的非线性行为，如塑性模型、蠕变模型。
- 几何非线性：考虑结构的大变形和大应变效应。
- 接触非线性：模拟不同部件间的接触和摩擦。
示例
# ABAQUS非线性分析示例：塑性材料的拉伸测试
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 创建模型
executeOnCaeStartup()
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=None)
myModel = mdb.models['Model-1']
# 定义材料
myMaterial = myModel.Material('Steel')
myMaterial.Elastic(table=((200000, 0.3), ))
myMaterial.Plastic(table=((250, 0.002), (300, 0.005)))
# 创建零件
myPart = myModel.Part(name='TensileSpecimen', dimensionality=THREE_D, type=DEFORMABLE_BODY)
myPart.BaseSolidExtrude(sketch=mySketch, depth=100)
# 定义边界条件
myModel.DisplacementBC(name='FixBase', createStepName='Initial', region=myPart.sets['Base'], u1=0.0, u2=0.0, u3=0.0, ur1=0.0, ur2=0.0, ur3=0.0, amplitude=UNSET, fixed=OFF, distributionType=UNIFORM, fieldName='', localCsys=None)
myModel.DisplacementBC(name='ApplyLoad', createStepName='Step-1', region=myPart.sets['Top'], u1=0.0, u2=0.0, u3=10, ur1=0.0, ur2=0.0, ur3=0.0, amplitude=UNSET, fixed=OFF, distributionType=UNIFORM, fieldName='', localCsys=None)
# 分析设置
myModel.StaticStep(name='Step-1', previous='Initial', initialInc=0.1, maxNumInc=1000, stabilizationMethod=DAMPING_FACTOR, stabilizationMagnitude=0.05, continueDampingFactors=False, adaptiveDampingRatio=0.05, maxNumIterations=100, solutionTechnique=FULL_NEWTON, reformKernel=2, convertSDI=OFF, utol=0.005)
# 提交分析
mdb.jobs['Job-1'].submit(consistencyChecking=OFF)
此示例展示了如何在ABAQUS中设置塑性材料的拉伸测试，包括材料定义、零件创建、边界条件和分析步骤的设置。
多物理场耦合分析
原理
多物理场耦合分析在ABAQUS中用于模拟结构在多种物理效应（如热、电、磁）共同作用下的行为。通过耦合不同物理场的方程，可以更准确地预测结构的响应。
内容
- 热-结构耦合：模拟温度变化对结构变形的影响。
- 电-结构耦合：考虑电场对结构性能的影响。
- 磁-结构耦合：分析磁场作用下的结构响应。
示例
# ABAQUS多物理场耦合分析示例：热-结构耦合
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 创建模型
executeOnCaeStartup()
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=None)
myModel = mdb.models['Model-1']
# 定义材料
myMaterial = myModel.Material('Aluminum')
myMaterial.Elastic(table=((70000, 0.33), ))
myMaterial.Expansion(table=((23.1e-6, ), ))
# 创建零件
myPart = myModel.Part(name='HeatSink', dimensionality=THREE_D, type=DEFORMABLE_BODY)
myPart.BaseSolidExtrude(sketch=mySketch, depth=10)
# 定义温度场
myModel.FieldOutputRequest('F-Output-1', createStepName='Step-1', variables=('U', 'RF', 'T'))
# 定义热边界条件
myModel.HeatFluxBC(name='ApplyHeat', createStepName='Step-1', region=myPart.faces[0], q=100)
# 定义结构边界条件
myModel.DisplacementBC(name='FixBase', createStepName='Initial', region=myPart.sets['Base'], u1=0.0, u2=0.0, u3=0.0, ur1=0.0, ur2=0.0, ur3=0.0, amplitude=UNSET, fixed=OFF, distributionType=UNIFORM, fieldName='', localCsys=None)
# 分析设置
myModel.CoupledTempDisplacementStep(name='Step-1', previous='Initial', initialInc=0.1, maxNumInc=1000, deltmx=100, cetol=0.0001, timePeriod=10, nlgeom=ON)
# 提交分析
mdb.jobs['Job-1'].submit(consistencyChecking=OFF)
此示例展示了如何在ABAQUS中设置热-结构耦合分析，包括材料热膨胀系数的定义、温度场和结构边界条件的设置，以及耦合分析步骤的配置。
复合材料结构优化
原理
复合材料结构优化在ABAQUS中用于寻找复合材料结构的最佳设计，以满足特定的性能目标，如最小化重量或成本，同时确保结构的强度和稳定性。优化过程通常涉及改变材料的铺层顺序、厚度或纤维方向。
内容
- 铺层顺序优化：确定复合材料层的最佳顺序。
- 厚度优化：调整各层的厚度以达到最优性能。
- 纤维方向优化：优化纤维方向以增强结构性能。
示例
# ABAQUS复合材料结构优化示例：铺层顺序优化
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
from optimization import *
# 创建模型
executeOnCaeStartup()
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=None)
myModel = mdb.models['Model-1']
# 定义复合材料
myMaterial = myModel.Material('Composite')
myMaterial.Elastic(type=ENGINEERING_CONSTANTS, table=((130000, 65000, 65000, 0.25, 0.25, 0.25, 4.1e6, 4.1e6, 4.1e6), ))
# 创建零件
myPart = myModel.Part(name='CompositePanel', dimensionality=THREE_D, type=DEFORMABLE_BODY)
myPart.BaseSolidExtrude(sketch=mySketch, depth=10)
# 定义复合材料层
myModel.CompositeLayup(name='Layup', description='', elementType=S4R, symmetric=False)
myModel.LayupPly(name='Ply1', material='Composite', thicknessType=SPECIFY_THICKNESS, thickness=1, orientationType=SPECIFY_ORIENT, orientationValue=0.0, additionalRotationType=ROTATION_NONE, additionalRotationField='', axiSymmRotationType=ROTATION_NONE, axiSymmRotationValue=0.0, axiSymmRotationField='', amplitude=UNSET, region=myPart.faces[0])
# 定义优化目标和约束
myOptimization = myModel.OptimizationTask(name='CompositeOptimization', objective=MINIMIZE, response=Response('Weight', type=MASS, definition=Region(region=myPart.faces[0])))
myOptimization.DisplacementConstraint(name='MaxDisplacement', region=myPart.sets['Top'], u1=0.0, u2=0.0, u3=0.0, ur1=0.0, ur2=0.0, ur3=0.0)
myOptimization.ThicknessConstraint(name='MinThickness', region=myPart.faces[0], thickness=0.5)
# 执行优化
myOptimization.execute()
此示例展示了如何在ABAQUS中设置复合材料结构的优化分析，包括复合材料的定义、复合材料层的设置，以及优化目标和约束的定义。通过调整铺层顺序、厚度和纤维方向，可以优化复合材料结构的性能。
复合材料梁的弯曲分析
原理
复合材料梁的弯曲分析是结构力学中的一个重要课题，主要研究复合材料梁在受到横向载荷作用时的变形、应力分布以及稳定性。复合材料因其高比强度、高比刚度和可设计性，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。在ABAQUS中，进行复合材料梁的弯曲分析通常涉及以下几个步骤：
- 材料定义：定义复合材料的层合属性，包括各层的材料属性（如弹性模量、泊松比）和厚度。
- 几何建模：创建复合材料梁的几何模型，包括梁的长度、宽度和高度。
- 网格划分：对模型进行网格划分，选择合适的单元类型，如S4R（四边形壳单元）或C3D8R（八节点实体单元）。
- 边界条件与载荷：施加边界条件（如固定端、自由端）和载荷（如横向力、弯矩）。
- 求解设置：选择求解器类型，设置求解参数，如分析步、时间步长等。
- 结果分析：分析输出结果，包括位移、应力、应变等，以评估梁的性能。
内容
材料定义
假设我们有一根由两层不同复合材料组成的梁，每层材料的属性如下：
- 层1：弹性模量E1 = 130 GPa，泊松比ν1 = 0.3，厚度t1 = 0.5 mm
- 层2：弹性模量E2 = 150 GPa，泊松比ν2 = 0.35，厚度t2 = 0.7 mm
在ABAQUS中，可以通过*COMPOSITE和*LAYER命令来定义复合材料的层合属性。
几何建模
创建一个长度为1000 mm，宽度为100 mm，高度为12 mm（层1和层2的总厚度）的梁模型。
网格划分
使用S4R单元对梁进行网格划分，确保单元尺寸足够小以准确捕捉梁的弯曲行为。
边界条件与载荷
假设梁的一端固定，另一端自由，且在自由端施加一个垂直向下的力F = 1000 N。
求解设置
选择线性静态分析，设置分析步和时间步长。
结果分析
分析梁的位移、应力和应变，特别关注层间应力和梁的挠度。
示例
# ABAQUS Python Script for Composite Beam Bending Analysis
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# Create a new model
executeOnCaeStartup()
modelName = 'CompositeBeam'
myModel = mdb.Model(name=modelName)
# Define composite material properties
materialName1 = 'Layer1'
materialName2 = 'Layer2'
E1 = 130e9 # Young's modulus for Layer1 in Pa
nu1 = 0.3 # Poisson's ratio for Layer1
t1 = 0.5e-3 # Thickness of Layer1 in meters
E2 = 150e9 # Young's modulus for Layer2 in Pa
nu2 = 0.35 # Poisson's ratio for Layer2
t2 = 0.7e-3 # Thickness of Layer2 in meters
# Create material objects
myModel.Material(name=materialName1)
myModel.Material(name=materialName2)
# Assign properties to materials
myModel.materials[materialName1].Elastic(table=((E1, nu1),))
myModel.materials[materialName2].Elastic(table=((E2, nu2),))
# Create a composite layup
myModel.HomogeneousSolidSection(name='CompositeSection', material=materialName1, thickness=t1)
myModel.HomogeneousSolidSection(name='CompositeSection', material=materialName2, thickness=t2)
# Create a part for the composite beam
partName = 'CompositeBeamPart'
myPart = myModel.Part(name=partName, dimensionality=THREE_D, type=DEFORMABLE_BODY)
myPart.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__', sheetSize=200.0), depth=12e-3)
myPart.SolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__', sheetSize=200.0), depth=0.7e-3)
# Create a section for the composite beam
myPart.SectionAssignment(region=myPart.cells[:], sectionName='CompositeSection')
# Mesh the part
myPart.seedPart(size=10e-3, deviationFactor=0.1, minSizeFactor=0.1)
myPart.generateMesh()
# Define boundary conditions and loads
myModel.DisplacementBC(name='FixedEnd', createStepName='Initial', region=myPart.sets['Set-1'], u1=0.0, u2=0.0, u3=0.0, ur1=0.0, ur2=0.0, ur3=0.0, amplitude=UNSET, fixed=OFF, distributionType=UNIFORM, fieldName='', localCsys=None)
myModel.ConcentratedForce(name='Load', createStepName='Step-1', region=myPart.sets['Set-2'], cf1=1000.0, amplitude=UNSET, distributionType=UNIFORM, field='', localCsys=None)
# Define analysis step
myModel.StaticStep(name='Step-1', previous='Initial', description='', nlgeom=OFF, stabilizationMethod=None, stabilizationMagnitude=None, continueDampingFactors=None, adaptiveDampingRatio=None, initialInc=None, maxNumInc=None, minInc=None, timePeriod=1.0, timeIncrementationMethod=AUTOMATIC, maxNumIterations=None, initialConditions=OFF, reformKernel=None, convertSDI=None, utol=None, amplitude=UNSET, extrapolation=LINEAR, maintainAttributes=OFF)
# Submit the job
mdb.Job(name='CompositeBeamJob', model=modelName, description='', type=ANALYSIS, atTime=None, waitMinutes=0, waitHours=0, queue=None, memory=90, memoryUnits=PERCENTAGE, getMemoryFromAnalysis=True, explicitPrecision=SINGLE, nodalOutputPrecision=SINGLE, echoPrint=OFF, modelPrint=OFF, contactPrint=OFF, historyPrint=OFF, userSubroutine='', scratch='', resultsFormat=ODB, multiprocessingMode=DEFAULT, numCpus=1, numGPUs=0)
mdb.jobs['CompositeBeamJob'].submit(consistencyChecking=OFF)
mdb.jobs['CompositeBeamJob'].waitForCompletion()
# Post-processing
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=myModel)
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(DEFORMED, ))
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.setFrame(step='Step-1', frame=1)
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='S', outputPosition=INTEGRATION_POINT, refinement=(COMPONENT, 'S11'))
描述
上述Python脚本展示了如何在ABAQUS中创建一个复合材料梁的模型，定义材料属性，进行网格划分，施加边界条件和载荷，设置分析步，并提交作业进行求解。最后，脚本还展示了如何进行后处理，查看梁的变形和应力分布。
复合材料板的冲击响应
原理
复合材料板的冲击响应分析主要关注在高速冲击载荷作用下，复合材料板的动态响应，包括冲击力的分布、板的变形、能量吸收以及损伤机制。ABAQUS提供了强大的显式动力学分析功能，能够模拟高速冲击过程。
内容
材料定义
定义复合材料板的层合属性，包括各层的材料属性和厚度。
几何建模
创建一个尺寸为1000 mm x 1000 mm x 10 mm的复合材料板模型。
网格划分
使用C3D8R单元进行网格划分，确保单元尺寸足够小以捕捉冲击过程中的细节。
边界条件与载荷
假设板的四周固定，且在板的中心施加一个高速冲击载荷。
求解设置
选择显式动力学分析，设置时间步长和分析步。
结果分析
分析板的位移、应力、应变以及能量吸收情况。
示例
# ABAQUS Python Script for Composite Plate Impact Analysis
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# Create a new model
executeOnCaeStartup()
modelName = 'CompositePlate'
myModel = mdb.Model(name=modelName)
# Define composite material properties
materialName1 = 'Layer1'
materialName2 = 'Layer2'
E1 = 130e9 # Young's modulus for Layer1 in Pa
nu1 = 0.3 # Poisson's ratio for Layer1
t1 = 5e-3 # Thickness of Layer1 in meters
E2 = 150e9 # Young's modulus for Layer2 in Pa
nu2 = 0.35 # Poisson's ratio for Layer2
t2 = 5e-3 # Thickness of Layer2 in meters
# Create material objects
myModel.Material(name=materialName1)
myModel.Material(name=materialName2)
# Assign properties to materials
myModel.materials[materialName1].Elastic(table=((E1, nu1),))
myModel.materials[materialName2].Elastic(table=((E2, nu2),))
# Create a composite layup
myModel.HomogeneousSolidSection(name='CompositeSection', material=materialName1, thickness=t1)
myModel.HomogeneousSolidSection(name='CompositeSection', material=materialName2, thickness=t2)
# Create a part for the composite plate
partName = 'CompositePlatePart'
myPart = myModel.Part(name=partName, dimensionality=THREE_D, type=DEFORMABLE_BODY)
myPart.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__', sheetSize=1000.0), depth=10e-3)
myPart.SolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__', sheetSize=1000.0), depth=5e-3)
# Create a section for the composite plate
myPart.SectionAssignment(region=myPart.cells[:], sectionName='CompositeSection')
# Mesh the part
myPart.seedPart(size=10e-3, deviationFactor=0.1, minSizeFactor=0.1)
myPart.generateMesh()
# Define boundary conditions and loads
myModel.DisplacementBC(name='FixedEdges', createStepName='Initial', region=myPart.sets['Set-1'], u1=0.0, u2=0.0, u3=0.0, ur1=0.0, ur2=0.0, ur3=0.0, amplitude=UNSET, fixed=OFF, distributionType=UNIFORM, fieldName='', localCsys=None)
myModel.ConcentratedForce(name='ImpactLoad', createStepName='Step-1', region=myPart.sets['Set-2'], cf3=10000.0, amplitude=UNSET, distributionType=UNIFORM, field='', localCsys=None)
# Define analysis step
myModel.ExplicitDynamicsStep(name='Step-1', previous='Initial', description='', timePeriod=1e-3, nlgeom=ON, stabilizationMethod=None, stabilizationMagnitude=None, continueDampingFactors=None, adaptiveDampingRatio=None, initialInc=None, maxNumInc=None, minInc=None, amplitude=UNSET, extrapolation=LINEAR, maintainAttributes=OFF)
# Submit the job
mdb.Job(name='CompositePlateJob', model=modelName, description='', type=ANALYSIS, atTime=None, waitMinutes=0, waitHours=0, queue=None, memory=90, memoryUnits=PERCENTAGE, getMemoryFromAnalysis=True, explicitPrecision=SINGLE, nodalOutputPrecision=SINGLE, echoPrint=OFF, modelPrint=OFF, contactPrint=OFF, historyPrint=OFF, userSubroutine='', scratch='', resultsFormat=ODB, multiprocessingMode=DEFAULT, numCpus=1, numGPUs=0)
mdb.jobs['CompositePlateJob'].submit(consistencyChecking=OFF)
mdb.jobs['CompositePlateJob'].waitForCompletion()
# Post-processing
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=myModel)
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(DEFORMED, ))
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.setFrame(step='Step-1', frame=1)
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='S', outputPosition=INTEGRATION_POINT, refinement=(COMPONENT, 'S11'))
描述
此Python脚本展示了如何在ABAQUS中进行复合材料板的冲击响应分析。脚本首先定义了复合材料的属性，创建了板的几何模型，并进行了网格划分。接着，脚本施加了边界条件和冲击载荷，设置了显式动力学分析步，并提交了作业。最后，脚本展示了如何进行后处理，查看板的变形和应力分布。
复合材料结构的疲劳寿命预测
原理
复合材料结构的疲劳寿命预测是评估复合材料在重复载荷作用下长期性能的关键。ABAQUS提供了多种疲劳分析工具，包括基于最大应力、最大应变或损伤累积理论的方法。
内容
材料定义
定义复合材料的疲劳属性，包括S-N曲线、损伤模型等。
几何建模
创建复合材料结构的几何模型。
网格划分
使用适合疲劳分析的单元类型进行网格划分。
边界条件与载荷
施加重复载荷，模拟实际工作条件。
求解设置
选择疲劳分析类型，设置分析步和时间步长。
结果分析
分析结构的疲劳寿命，评估损伤累积情况。
示例
# ABAQUS Python Script for Composite Structure Fatigue Life Prediction
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# Create a new model
executeOnCaeStartup()
modelName = 'CompositeStructure'
myModel = mdb.Model(name=modelName)
# Define composite material properties and fatigue properties
materialName = 'Composite'
E = 140e9 # Young's modulus in Pa
nu = 0.3 # Poisson's ratio
t = 10e-3 # Thickness in meters
myModel.Material(name=materialName)
myModel.materials[materialName].Elastic(table=((E, nu),))
# Define S-N curve for fatigue analysis
myModel.materials[materialName].FatigueSN(name='SNData', description='', cyclicStress=1e6, cyclicStrain=1e-3, fatigueLife=1e6, cyclicStressRatio=0.1, cyclicStrainRatio=0.1, fatigueLifeRatio=0.1, cyclicStressRatio2=0.1, cyclicStrainRatio2=0.1, fatigueLifeRatio2=0.1, cyclicStressRatio3=0.1, cyclicStrainRatio3=0.1, fatigueLifeRatio3=0.1)
# Create a part for the composite structure
partName = 'CompositeStructurePart'
myPart = myModel.Part(name=partName, dimensionality=THREE_D, type=DEFORMABLE_BODY)
myPart.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__', sheetSize=1000.0), depth=10e-3)
# Create a section for the composite structure
myPart.SectionAssignment(region=myPart.cells[:], sectionName='CompositeSection')
# Mesh the part
myPart.seedPart(size=10e-3, deviationFactor=0.1, minSizeFactor=0.1)
myPart.generateMesh()
# Define boundary conditions and loads
myModel.DisplacementBC(name='FixedEnd', createStepName='Initial', region=myPart.sets['Set-1'], u1=0.0, u2=0.0, u3=0.0, ur1=0.0, ur2=0.0, ur3=0.0, amplitude=UNSET, fixed=OFF, distributionType=UNIFORM, fieldName='', localCsys=None)
myModel.ConcentratedForce(name='Load', createStepName='Step-1', region=myPart.sets['Set-2'], cf1=1000.0, amplitude=UNSET, distributionType=UNIFORM, field='', localCsys=None)
# Define analysis step
myModel.CyclicStep(name='Step-1', previous='Initial', description='', timePeriod=1.0, timeIncrementationMethod=AUTOMATIC, maxNumIterations=None, initialConditions=OFF, reformKernel=None, convertSDI=None, utol=None, amplitude=UNSET, extrapolation=LINEAR, maintainAttributes=OFF)
# Submit the job
mdb.Job(name='CompositeStructureJob', model=modelName, description='', type=ANALYSIS, atTime=None, waitMinutes=0, waitHours=0, queue=None, memory=90, memoryUnits=PERCENTAGE, getMemoryFromAnalysis=True, explicitPrecision=SINGLE, nodalOutputPrecision=SINGLE, echoPrint=OFF, modelPrint=OFF, contactPrint=OFF, historyPrint=OFF, userSubroutine='', scratch='', resultsFormat=ODB, multiprocessingMode=DEFAULT, numCpus=1, numGPUs=0)
mdb.jobs['CompositeStructureJob'].submit(consistencyChecking=OFF)
mdb.jobs['CompositeStructureJob'].waitForCompletion()
# Post-processing
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=myModel)
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(DEFORMED, ))
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.setFrame(step='Step-1', frame=1)
session.viewports['Viewport: 1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='S', outputPosition=INTEGRATION_POINT, refinement=(COMPONENT, 'S11'))
描述
此Python脚本展示了如何在ABAQUS中进行复合
常见问题与解决方案
网格收敛性问题
网格收敛性是结构仿真中一个关键的概念，它确保了分析结果的准确性和可靠性。在ABAQUS中，网格的细化程度直接影响到计算结果的精度。如果网格不够细，可能会导致结果的误差较大；反之，如果网格过于细化，虽然能提高精度，但会显著增加计算时间和资源消耗。
原理
网格收敛性检查通常通过比较不同网格密度下的结果来进行。一个有效的网格是当进一步细化网格时，结果的变化趋于稳定。这表明当前的网格密度足以捕捉到结构的细节，而无需进一步细化。
解决方法
-
逐步细化网格：从粗网格开始，逐步细化网格，观察结果的变化。当结果的变化小于预定的误差范围时，当前网格即认为是收敛的。
-
局部细化：在结构的关键区域（如应力集中处）进行局部网格细化，可以有效提高计算效率，同时保证关键区域的计算精度。
-
使用自适应网格：ABAQUS提供了自适应网格功能，可以根据计算过程中的应力分布自动调整网格密度，从而在保证精度的同时，优化计算资源。
示例
假设我们正在分析一个复合材料梁的弯曲问题，我们可以通过以下步骤检查网格收敛性：
-
定义初始网格：使用默认的网格设置进行初步分析。
-
细化网格：在ABAQUS中，可以通过修改网格尺寸来细化网格。例如，将网格尺寸从10mm减小到5mm。
-
比较结果：比较两种网格下的最大应力值。如果两者之间的差异小于5%，则可以认为网格已经收敛。
# ABAQUS网格细化示例
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 执行ABAQUS启动脚本
executeOnCaeStartup()
# 创建模型
modelName = 'CompositeBeam'
mdb.models.changeKey(fromName='Model-1', toName=modelName)
# 定义初始网格尺寸
initialSize = 10
mdb.models[modelName].parts['Beam'].seedPart(size=initialSize, deviationFactor=0.1, minSizeFactor=0.1)
# 分析并记录结果
mdb.models[modelName].StaticStep(name='InitialStep', previous='Initial')
mdb.jobs['CompositeBeam'].submit()
mdb.jobs['CompositeBeam'].waitForCompletion()
initialStress = mdb.models[modelName].historyRegions['Node Beam.1'].getHistoryOutput('S')
# 细化网格
refinedSize = 5
mdb.models[modelName].parts['Beam'].seedPart(size=refinedSize, deviationFactor=0.1, minSizeFactor=0.1)
# 再次分析并记录结果
mdb.models[modelName].StaticStep(name='RefinedStep', previous='Initial')
mdb.jobs['CompositeBeam'].submit()
mdb.jobs['CompositeBeam'].waitForCompletion()
refinedStress = mdb.models[modelName].historyRegions['Node Beam.1'].getHistoryOutput('S')
# 比较结果
if abs(initialStress[-1] - refinedStress[-1]) / initialStress[-1] < 0.05:
print("网格已经收敛。")
else:
print("需要进一步细化网格。")
求解不收敛的处理方法
在ABAQUS中，求解不收敛是一个常见的问题，通常由模型的非线性、初始条件不当或计算参数设置不合理引起。
原理
求解不收敛意味着ABAQUS在迭代求解过程中无法达到预定的收敛标准，这可能是因为模型中存在过度约束、接触问题、材料非线性或几何非线性等问题。
解决方法
-
检查模型的约束和边界条件：确保模型的约束和边界条件正确，没有过度约束或约束不足的情况。
-
调整求解参数：例如，减小时间步长、增加最大迭代次数或改变收敛准则。
-
使用更合适的材料模型：对于非线性材料，确保使用了正确的材料模型和参数。
-
检查接触设置：对于涉及接触的模型，检查接触面的定义和接触算法是否正确。
示例
在ABAQUS中，如果遇到求解不收敛的问题，可以通过调整时间步长和迭代次数来尝试解决：
# ABAQUS求解参数调整示例
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 执行ABAQUS启动脚本
executeOnCaeStartup()
# 创建模型
modelName = 'NonlinearStructure'
mdb.models.changeKey(fromName='Model-1', toName=modelName)
# 定义求解步骤
mdb.models[modelName].StaticStep(name='Step-1', previous='Initial', maxNumInc=100, initialInc=0.01, minInc=0.001)
# 设置收敛准则
mdb.models[modelName].steps['Step-1'].setValues(utol=0.0001)
# 提交分析
mdb.jobs['NonlinearStructure'].submit()
mdb.jobs['NonlinearStructure'].waitForCompletion()
结果解释中的常见误区
正确解释ABAQUS的分析结果对于确保设计的准确性和安全性至关重要。然而，由于结果的复杂性和软件的深度，初学者在解释结果时可能会陷入一些常见的误区。
原理
结果解释的误区通常源于对ABAQUS输出数据的误解，如应力、应变、位移等的物理意义，以及如何正确地从这些数据中提取信息。
常见误区
-
将峰值应力直接用于设计：峰值应力可能出现在模型的局部区域，而实际设计中应考虑整个结构的平均应力或等效应力。
-
忽略应变能的影响：应变能是结构变形的重要指标，但在某些情况下，初学者可能会忽视其对结构稳定性的影响。
-
不考虑材料的非线性行为：在材料非线性问题中，简单地使用线性材料模型的应力-应变关系来解释结果可能会导致错误的结论。
解决方法
-
全面分析结果：不仅要关注峰值应力，还要分析整个结构的应力分布，以及应变能和位移等其他关键指标。
-
使用等效应力：在非线性分析中，使用等效应力（如von Mises应力）来评估材料的损伤和失效。
-
考虑材料非线性：在材料模型中正确设置非线性参数，如塑性、蠕变或超弹性等，以确保结果的准确性。
示例
在解释ABAQUS的复合材料结构分析结果时，应使用等效应力来评估材料的损伤情况：
# ABAQUS结果解释示例
from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
# 执行ABAQUS启动脚本
executeOnCaeStartup()
# 创建模型
modelName = 'CompositeStructure'
mdb.models.changeKey(fromName='Model-1', toName=modelName)
# 分析并获取von Mises应力
mdb.models[modelName].StaticStep(name='AnalysisStep', previous='Initial')
mdb.jobs['CompositeStructure'].submit()
mdb.jobs['CompositeStructure'].waitForCompletion()
vonMisesStress = mdb.models[modelName].historyRegions['Node CompositeStructure.1'].getHistoryOutput('S')
# 检查等效应力是否超过材料的强度极限
materialStrength = 100 # 假设材料的强度极限为100MPa
if max(vonMisesStress) > materialStrength:
print("材料可能已经损伤或失效。")
else:
print("材料在安全范围内。")
通过以上示例和方法，可以有效地解决ABAQUS复合材料结构分析中常见的网格收敛性问题、求解不收敛问题以及结果解释中的误区，从而提高分析的准确性和效率。
