从算例中了解ABAQUS复材铺层-常规壳-连续壳

2016-7-28 13:20| 发布者: username| 查看: 1387| 评论: 0|原作者: 不详|来自: 有限元在线微信公众平台

摘要: 　　复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多常规的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。

　　复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多常规的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。

　　按其结构特点又分为：
　　①纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。
　　②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄;芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度，分为实心夹层和蜂窝夹层两种。
　　③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。
　　④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能，分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。
　　ABAQUS提供复合材料铺层管理器-composite layup，可方便实现复材铺层，同时，对于复杂复合材料建模，还提供了额外的附加工具CMA-composites modeler for Abaqus/CAE。
　　对于常规壳单元(或传统壳单元)和连续壳单元，常规壳单元对壳的参考面进行离散，连续壳单元将结构离散为三维实体单元，通俗而不算准确的说法，“常规壳看起来是薄壳单元，连续壳单元看起来是三维实体单元”。对于接触问题，连续壳单元的计算结果精度优于常规壳单元结果，而对于薄壳问题，常规壳则表现出更好的性能。

　　考虑复合材料，常规壳，连续壳则引出经典的Pagano plate -帕加罗板算例。
　　分别利用常规壳和连续壳完成铺层和计算。

　　问题描述：

　　如图所示，板材共三层，X方向长10，Z方向2.5，每层厚0.833，上表面承受垂直详细的正弦分布的压强(Z的负方向)，几何和载荷在Y方向是均匀的，所以可以利用对称边界，建立部分模型分析。第一层和第三层纤维方向沿X方向，第二层与此垂直(沿Y方向)。
　　单向板的材料参数：E1 =25.0E6 psi; E2=1.0E6 psi; υ12 =0.25; G12 = G13=5.0E5 psi; and G23 = 2.0E5 psi。
　　建立几何模型就不赘述了，直接按照给定的尺寸建立模型即可，注意利用常规壳单元时模型建立为3d shell，而利用连续壳单元时，模型建立为3d solid。此处从材料定义开始讲解，重点讲解铺层以及利用常规壳单元和连续壳单元计算时的不同之处。

　　利用常规壳模型计算：
　　定义材料，选择elastic，类型修改为lamina，并按给定的参数设置弹性模量、泊松比和剪切模量;

　　铺层：双击compositelayups,直接定义复合材料的铺层(注意，不必再定义section)，选择conventional shell。双击区域选择的标题-Region，选择整个模型;双击材料标题，选择之前定义的材料。这种直接双击标题的方法可以快速实现多个ply参数的设置，3个ply分别设置旋转角度-rotation angle，第一、第三层为0，第二层为90，每个ply的积分点数改为5。Csys保持默认即可，如下图所示

　　在step中，创建常规静力分析步，参数保持默认即可，设置场变量输出，domain选择前面建立的复材铺层，在应力下选择输出S和TSHR-横向剪切应力，并在对话框下端勾选输出所有ply的所有截面点的结果。
　　边界条件，两个短的侧边(平行于Y的边)约束U3，两个长的侧边(平行于X的边)，设置Y向对称，为消除刚体位移，约束左边一个角点的U1。
　　载荷定义，tool下定义解析场，1*sin(x*pi/10.),然后定义上表面上的pressure，并在分布形式中选择该解析场，数值大小为1。

　　划分网格-s8r，建立分析任务，提交计算。

　　下图是应力分量s11-bottom-mostsection points

　　当然，后处理中还可以考察不同积分点位置的结果，不同层上的结果等，利用XYdata可以输出横向剪切应力TSHR13。

　　利用连续壳模型计算：
　　利用连续壳计算时，多数过程与常规壳类似，不同的地方在于：
　　建模用3d solid，复材铺层时选择continuumshell，如果板的厚度方向单元数模划分足够多，则ply的积分点数用3即可;需要注意的是，必须指定壳的厚度方向-stack direciton，用于明确铺层的顺序，设置时在mesh模块，选择assign stack direciton，然后选择模型顶面为参考方向。

　　输出要求：
　　同样先选择TSHR，横向剪切应力。在ABAQUS/standard中，假定shell单元在顶面和地面无横向剪切应力。因此，如果我们在厚度方向有多层单元，通常也就是使用continuum shell时，相邻层处则不会有横向剪切应力。因此，厚度方向有多层壳单元是，TSHR13和TSHR23则不能很好的表征。为此，对于连续壳单元，通常建议输出CTSHR，可以避免上述问题：厚度方向上，shell单元边界上的横向剪切应力连续，自由边上的横向剪切应力为零，其他方面与TSHR相同。另一个输出变量SSAVG4和SSAVG5，横向剪切应力分量，与CTSHR13和CTSHR23不同：前者在整个单元内为常数，而后者是呈现二次变化的。因此，对于连续壳，CTSHR比SSAVG提供一个更经济的解。
　　边界：两个小侧面约束u3，大侧面Y向对称，支撑边选择一点约束U1-消除刚体位移。

　　载荷：与常规壳定义类似，区域选择上表面。

　　划分网格-sc8r，创建job，提交计算。

　　结果：

　　可利用沿厚度方向的path，输出剪切应变，path定义时，用edgelist--edit edge list path-by shortest distance，选择厚度方向，从底部到顶部选择，注意start和end点。

　　本文旨在介绍abaqus中的复材铺层以及常规壳和连续壳计算的差别，结果后处理未做过多介绍。

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