Abaqus復合材料及VCCT的應用

2017-09-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

航空航天工業(yè)是國家的技術前沿和骨干行業(yè),其產(chǎn)品開發(fā)和制造技術水平,不僅是質量和效率的保障,更是國家實力和形象的象征。當前,數(shù)字化技術已經(jīng)成為全球航空航天工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的最有力手段和企業(yè)的核心競爭能力。在國內,CAD/CAM的成功應用也證明了數(shù)字化技術的巨大價值。所謂CAE技術,也就是通過數(shù)字化手段,分析驗證產(chǎn)品的性能、安全性和可靠性,是產(chǎn)品研發(fā)和制造數(shù)字化技術的核心。Abaqus是國際著名的CAE軟件,它以解決實際工業(yè)問題能力和強大的非線性功能贏得廣泛聲譽。航空航天工業(yè)是Abaqus最重要的應用領域之一,波音、空中客車、洛克希德-馬丁等長期合作的用戶。對航空航天很多復雜和特殊的問題,如疲勞斷裂、復合材料損傷、起落架柔性機構、接觸連接、金屬塑性等,在所有的CAE軟件中,Abaqus是最有優(yōu)勢的。

航空航天飛行器高精尖的工作性能決定了結構設計及其復雜。飛行任務的特殊性決定了工作環(huán)境的惡劣。因此應用CAE分析軟件要求可靠、安全穩(wěn)定、功能適用和針對航空航天行業(yè),具有豐富的航空航天行業(yè)應用經(jīng)驗等。Abaqus以其卓越的產(chǎn)品質量得到了業(yè)界的廣泛認可。除了通過ISO9001認證和Nuclear QA認證之外,還被美國食品藥品管理局(FDA)作為醫(yī)療器械分析的推薦分析工具。

就我國目前狀況,國家職能部門正在大力推進航空航天工業(yè)數(shù)字化工程,目的在于通過整合和充分利用現(xiàn)有條件,借鑒國內外先進的數(shù)字化技術和管理模式,開展技術攻關,基本打通飛行器研制的數(shù)字化設計、試驗、制造和管理生產(chǎn)線,初步創(chuàng)建數(shù)字化工作、技術和保障基本體系,形成全機數(shù)字樣機研制和典型數(shù)字化部件的工程研制能力,大幅度地縮短型號研制周期,減少研制費用,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質量,增強競爭力。在此基礎上,竟以補充和完善數(shù)字化生產(chǎn)線和數(shù)字化體系,具備在新一代飛行器研制生產(chǎn)中實施數(shù)字化設計、試驗、制造和管理的工程能力,從根本上改變現(xiàn)行的設計、試驗、制造和管理模式、手段和方法,實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)方式的變革。

實現(xiàn)數(shù)字化后,在設計階段,數(shù)字樣機將取代實物樣機,數(shù)字化試驗將成飛行器系統(tǒng)的主要設計方式。由于設計上的數(shù)字化,可以實現(xiàn)快速多學科、多目標的優(yōu)化,設計出最佳的飛行器方案,建立起世界一流的虛擬開發(fā)環(huán)境。制造業(yè)數(shù)字化是航空航天工業(yè)信息化的重要發(fā)展方向,是信息化帶動工業(yè)化的重要舉措,是全面振興行業(yè)的重要內容。飛行器制造業(yè)數(shù)字化工程的實施,將有力推動我國傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)方式的變革,從根本上改變我國現(xiàn)行的飛行器設計、制造、試驗和管理模式。從方法和手段入手,實現(xiàn)我國航空航天事業(yè)的跨越發(fā)展。

航空航天是Abaqus軟件的重要應用領域,該行業(yè)的收入約占Abaqus公司年度總收入的三分之一。目前所有大的飛機制造企業(yè)如波音、空中客車、洛克希德—馬丁、NASA、Los Alamos 和Sandia國家實驗室,中國航空601、602、603、611、624、625等,航天1、2、3、4、6院等,以及成飛等,都是Abaqus軟件的重要用戶。波音更是將其專利的VCCT(虛擬裂紋閉合技術)嵌入Abaqus軟件中,進行斷裂問題的求解。Abaqus軟件公司始終注重航空航天領域用戶和技術的發(fā)展,近期很多研發(fā)方面的決策都是針對航空航天領域的,如大規(guī)模桿板模型的發(fā)展、斷裂力學和氣動彈性分析和Abaqus對CATIA的嵌入式產(chǎn)品(Abaqus/AFC)等。

行業(yè)成功案例

1.1 復合材料及VCCT的應用

1.1.1 復合材料的應用

復合材料有許多特性:

制造工藝簡單

比強度高,比剛度大

具有靈活的可設計性

耐腐蝕,對疲勞不敏感

熱穩(wěn)定性能、高溫性能好

由于復合材料的上述優(yōu)點,在航空航天、汽車、船舶等領域,都有廣泛的應用。在下一代飛機設計中,復合材料的大量應用對分析技術提出新的挑戰(zhàn)。例如在某客機各種材料的使用狀況,其中復合材料的比例約為50%。

借助于多層殼、實體殼及實體單元可以建立復雜的復合材料模型,這些單元允許疊加各向同性或各向異性材料層,材料方向允許變化。Abaqus提供的失效準則有最大應變失效準則、最大應力失效準則和Tsai—Wu失效準則等,用戶也可以通過用戶子程序來定義自己的失效準則。Abaqus的復合材料功能特別適合于大量應用復合材料的新型飛行器。

1.1.2 Abaqus/CAE中復合材料的建模技術

在Abaqus/CAE中,有專門的復合材料設計模塊plyup。應用該模

塊可以對復合材料進行鋪層設計。對于每一個鋪層,可以選擇鋪層應用的區(qū)域、使用的材料、鋪層的鋪設角度、厚度等。對于鋪層較多的結構件,Abaqus/CAE提供了很方便的檢查手段,可以顯示鋪層沿厚度方向將每一層分離展示,一目了然,這也是數(shù)字化設計的一大優(yōu)點。

后處理模塊中,可以顯示每一個鋪層厚度方向上的應力、位移、損傷云圖,也可以顯示復合材料厚度方向上變量的變化曲線。

1.1.3 復合材料建模模塊(CMA)

通常情況下,在進行仿真分析中,復合材料鋪層都是按照理想設計進行分析的。而在復合材料實際的加工制造過程中,纖維鋪層不可避免地會發(fā)生折疊、交錯,因此纖維的方向以及鋪層的厚度都會發(fā)生變化。如果再按照理想設計的復合材料鋪層去進行分析計算,就得不到真實結構的力學性能。

Composite Modeler for Abaqus/CAE(CMA)確保在建模初始階段就能考慮鋪層的的工藝性能,確保復合材料鋪層在工藝上的可行性。這樣避免了日后在研發(fā)周期上由于重新設計而增加的成本。此模塊還可以生成制造數(shù)據(jù)以確保最終的零件與分析模型相符。

CMA補充和擴展了Abaqus/CAE強大的復合材料仿真能力,并與Abaqus/CAE完美的融合在了一起。此外,憑借其與其他環(huán)節(jié)的直接融合能力,實現(xiàn)了整個企業(yè)設計與制造的緊密聯(lián)系。

目前,由CMA得到的空間中不斷變化的纖維方向和鋪層厚度可直接提供給非線性隱式算法和顯式求解器,實現(xiàn)真實地仿真計算。因而在每個單元產(chǎn)生鋪層角度,真實反應了仿真和實際纖維結構,這些功能確保計算中可達到前所未有的真實性。

如下圖所示,對于彎曲的幾何結構,當某些單向帶/織物存在覆蓋情況時需要考慮局部的纖維方向,計劃的坐標系統(tǒng)可能無法正確地考慮彎曲幾何結構。要確保提議的將要制造的鋪層具有實際可生產(chǎn)性(平坦模式預測)。

另外,CMA使復合材料結構的分析、設計和制造完美的結合在一起。使用CMA,可以將Abaqus/CAE創(chuàng)建的模型可以直接倒入到CATIA V5中進行細節(jié)設計,也可以將CATIA CPD中設計的復合材料模型以及鋪層導入到Abaqus/CAE中。通過精確的模型轉換,可快速實現(xiàn)設計上的反復,從而提高整個研制過程的效率。

1.1.4 復合材料失效問題

材料失效涉及到由材料剛度漸進退化導致的失去承載能力。用損傷力學模擬剛度退化,使用平面應力單元模擬,并考慮四種不同的失效模式,纖維拉伸開裂,纖維屈曲和壓縮失效,基體拉伸和剪切開裂,基體拉伸和剪切碾壓。

復合材料的損傷模型主要是Hashin’s損傷模型,可以包括纖維的壓縮和拉伸失效、基體的壓縮和拉伸失效。應用Hashin’s損傷模型可以模擬不可見的沖擊損傷 (BVID),從而可以預測受沖擊后結構的殘余損失以及沖擊力的大小。

Abaqus中的復合材料失效準則主要有:

→ MSTRS 最大應力理論失效準則

→?TSAIH Tsai-Hill理論失效準則

→?TSAIW Tsai-Wu理論失效準則

→?AZZIT Azzi-Tsai-Hill理論失效準則

→?MSTRIN 最大應變理論失效準則

沖擊力的預測損傷區(qū)域

1.1.5 復合材料碰撞破壞模塊CZone

沖擊時吸收能量的可壓碎結構被用于:汽車、直升機、飛機、火車及其它運輸工具當中,這種能量吸收結構能保護內部人員或者貨物受沖擊時免于受傷與強烈震動。相比于沉重的采用金屬的設計,復合材料由于具有能提供輕質可修復結構吸收能量的能力,因而具有很大潛力。

目前沒有商業(yè)方法能精確模擬或者預測這種結構的壓碎特性。這些結構的模擬仿真將考慮到具有效益的發(fā)展和這種可壓碎復合材料結構的設計,以達到需要的性能參數(shù)。精確模擬復合結構的壓碎特性具有挑戰(zhàn)性,一般來說這種壓碎響應不能由傳統(tǒng)的失效機理來描述。很難準確地用該過程中涉及到的單一某個失效機理來描述。Abaqus的CZone技術可以進行符合結構的壓碎響應。這些仿真考慮到這種可壓碎復合結構的有效發(fā)展以達到需要的性能參數(shù)。

Abaqus的CZone(CZA)是Abaqus/Explicit的一個拓展,它將CZone技術與Abaqus/Explicit強大的沖擊建模功能相結合。對受沖擊結構的前緣的擠壓區(qū)域,CZA提供直接的基于擠壓的單元失效分析。

CZone技術通過下面兩種方式融入Abaqus/Explicit當中:

壓碎材料定義,描述材料的壓碎響應;

CZone聯(lián)系定義,對擠壓區(qū)域內由于屈曲、剪切等引起的局部載荷進行建模;

典型的Abaqus的CZone分析的目標:確定吸收了多少能量;峰值加速度;平均加速度;多少材料完全壓碎;識別遭受其他破壞形式的區(qū)域;了解損傷的進程。

1.1.6 Cohesive技術

采用cohesive單元技術或基于cohesive的接觸技術,同樣可以來模擬復合材料的分層破壞以及膠結接頭的連接。

使用牽引-分離接觸行為來模擬粘性連接,是一種十分簡單易用的方法。該方法的功能和使用粘單元模擬牽引-分離本構行為的功能基本類似。然而,該方法不需要定義單元,并且粘性表面可以隨著粘性接觸面的產(chǎn)生隨時進行綁定。該方法初衷是用來模擬可以將接觸面的厚度忽略掉的情況。分析時必須將其定義成表面交互的性質,而對于粘性表面來說,損傷是一種交互性質,而不是材料性質。粘性表面的運動學與粘單元的不同,默認會自動計算粘性接觸面的初始剛度。

Cohesive單元的應力應變行為見下圖,稱為牽引-分離模式(Traction- Separation)。應力-應變曲線上升段代表Cohesive單元的線彈性行為,應力-應變曲線下降段代表Cohesive單元的剛度衰減及失效過程。Cohesive單元的初始損傷基于應力或應變判據(jù),而損傷擴展判據(jù)有兩種,一種基于能量,另一種基于位移。

1.1.7 虛擬裂紋閉合技術(VCCT)

用于Abaqus技術的VCCT是由Composite Affordability Initiative (CAI)中的Boeing Commercial Aircraft Group發(fā)展起來的。VCCT是波音的技術專利,在其內部已經(jīng)應用與復合材料的分析長達數(shù)十年之久。而Abaqus將VCCT這種技術內嵌于Abaqus/standard中,用于有效地分析復合材料結構的斷裂和分層問題。

VCCT基于線彈性斷裂力學的原理,通過計算不同形式裂紋尖端的能量釋放率,與復合材料層間開裂的臨界能量釋放率相比較,來計算層間裂紋的擴展。其具有的優(yōu)勢為:VCCT完全與Abaqus中現(xiàn)有的單元、材料以及求解功能兼容,只需定義裂紋存在的界面,而無需定義裂紋擴展的方向。使用VCCT可用用于確定復合材料結構的承載極限以及類似的典型航空復合材料結構的失效模式。

1.1.8 Abaqus中復合材料其他分析功能

復合材料熱固化成形

復合材料熱固化的過程,可以認為是復合材料預浸料經(jīng)歷一系列溫度變化的熱固耦合過程。典型的溫度變化過程為:由室溫升溫30分鐘到185℃,保持1個小時,繼續(xù)升溫到195℃,保持2個小時,然后降溫到70℃以下。整個過程可以采用熱固耦合分析,由于基體材料和纖維增強材料的熱膨脹系數(shù)不一樣,一系列的溫度變化導致熱應力產(chǎn)生,致使結構發(fā)生翹曲變形。

下圖表示的是采用Abaqus中的熱固耦合功能分析某復合材料結構在熱固化后結構發(fā)生變形。