從算例中了解ABAQUS復(fù)材鋪層-常規(guī)殼-連續(xù)殼

2016-12-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

復(fù)合材料是一種混合物。在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用,代替了很多常規(guī)的材料。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。

按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為:

①纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。

②夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、薄;芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低,但具有一定剛度和厚度,分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。

③細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中,如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。

④混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比,其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高,并具有特殊的熱膨脹性能,分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)/層間混雜和超混雜復(fù)合材料。

ABAQUS提供復(fù)合材料鋪層管理器-composite layup,可方便實(shí)現(xiàn)復(fù)材鋪層,同時,對于復(fù)雜復(fù)合材料建模,還提供了額外的附加工具CMA-composites modeler for Abaqus/CAE。

對于常規(guī)殼單元(或傳統(tǒng)殼單元)和連續(xù)殼單元,常規(guī)殼單元對殼的參考面進(jìn)行離散,連續(xù)殼單元將結(jié)構(gòu)離散為三維實(shí)體單元,通俗而不算準(zhǔn)確的說法,“常規(guī)殼看起來是薄殼單元,連續(xù)殼單元看起來是三維實(shí)體單元”。對于接觸問題,連續(xù)殼單元的計算結(jié)果精度優(yōu)于常規(guī)殼單元結(jié)果,而對于薄殼問題,常規(guī)殼則表現(xiàn)出更好的性能。

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考慮復(fù)合材料,常規(guī)殼,連續(xù)殼則引出經(jīng)典的Pagano plate -帕加羅板算例。

分別利用常規(guī)殼和連續(xù)殼完成鋪層和計算。

問題描述:

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如圖所示,板材共三層,X方向長10,Z方向2.5,每層厚0.833,上表面承受垂直詳細(xì)的正弦分布的壓強(qiáng)(Z的負(fù)方向),幾何和載荷在Y方向是均勻的,所以可以利用對稱邊界,建立部分模型分析。第一層和第三層纖維方向沿X方向,第二層與此垂直(沿Y方向)。

單向板的材料參數(shù):E1 =25.0E6 psi; E2=1.0E6 psi; υ12 =0.25; G12 = G13=5.0E5 psi; and G23 = 2.0E5 psi。

建立幾何模型就不贅述了,直接按照給定的尺寸建立模型即可,注意利用常規(guī)殼單元時模型建立為3d shell,而利用連續(xù)殼單元時,模型建立為3d solid。此處從材料定義開始講解,重點(diǎn)講解鋪層以及利用常規(guī)殼單元和連續(xù)殼單元計算時的不同之處。

利用常規(guī)殼模型計算:

定義材料,選擇elastic,類型修改為lamina,并按給定的參數(shù)設(shè)置彈性模量、泊松比和剪切模量;

鋪層:雙擊compositelayups,直接定義復(fù)合材料的鋪層(注意,不必再定義section),選擇conventional shell。雙擊區(qū)域選擇的標(biāo)題-Region,選擇整個模型;雙擊材料標(biāo)題,選擇之前定義的材料。這種直接雙擊標(biāo)題的方法可以快速實(shí)現(xiàn)多個ply參數(shù)的設(shè)置,3個ply分別設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度-rotation angle,第一、第三層為0,第二層為90,每個ply的積分點(diǎn)數(shù)改為5。Csys保持默認(rèn)即可,如下圖所示

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在step中,創(chuàng)建常規(guī)靜力分析步,參數(shù)保持默認(rèn)即可,設(shè)置場變量輸出,domain選擇前面建立的復(fù)材鋪層,在應(yīng)力下選擇輸出S和TSHR-橫向剪切應(yīng)力,并在對話框下端勾選輸出所有ply的所有截面點(diǎn)的結(jié)果。

邊界條件,兩個短的側(cè)邊(平行于Y的邊)約束U3,兩個長的側(cè)邊(平行于X的邊),設(shè)置Y向?qū)ΨQ,為消除剛體位移,約束左邊一個角點(diǎn)的U1。

載荷定義,tool下定義解析場,1*sin(x*pi/10.),然后定義上表面上的pressure,并在分布形式中選擇該解析場,數(shù)值大小為1。

劃分網(wǎng)格-s8r,建立分析任務(wù),提交計算。

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下圖是應(yīng)力分量s11-bottom-mostsection points

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當(dāng)然,后處理中還可以考察不同積分點(diǎn)位置的結(jié)果,不同層上的結(jié)果等,利用XYdata可以輸出橫向剪切應(yīng)力TSHR13。

利用連續(xù)殼模型計算:

利用連續(xù)殼計算時,多數(shù)過程與常規(guī)殼類似,不同的地方在于:

建模用3d solid,復(fù)材鋪層時選擇continuumshell,如果板的厚度方向單元數(shù)模劃分足夠多,則ply的積分點(diǎn)數(shù)用3即可;需要注意的是,必須指定殼的厚度方向-stack direciton,用于明確鋪層的順序,設(shè)置時在mesh模塊,選擇assign stack direciton,然后選擇模型頂面為參考方向。

輸出要求:

同樣先選擇TSHR,橫向剪切應(yīng)力。在ABAQUS/standard中,假定shell單元在頂面和地面無橫向剪切應(yīng)力。因此,如果我們在厚度方向有多層單元,通常也就是使用continuum shell時,相鄰層處則不會有橫向剪切應(yīng)力。因此,厚度方向有多層殼單元是,TSHR13和TSHR23則不能很好的表征。為此,對于連續(xù)殼單元,通常建議輸出CTSHR,可以避免上述問題:厚度方向上,shell單元邊界上的橫向剪切應(yīng)力連續(xù),自由邊上的橫向剪切應(yīng)力為零,其他方面與TSHR相同。另一個輸出變量SSAVG4和SSAVG5,橫向剪切應(yīng)力分量,與CTSHR13和CTSHR23不同:前者在整個單元內(nèi)為常數(shù),而后者是呈現(xiàn)二次變化的。因此,對于連續(xù)殼,CTSHR比SSAVG提供一個更經(jīng)濟(jì)的解。

邊界:兩個小側(cè)面約束u3,大側(cè)面Y向?qū)ΨQ,支撐邊選擇一點(diǎn)約束U1-消除剛體位移。

載荷:與常規(guī)殼定義類似,區(qū)域選擇上表面。

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