復(fù)合材料分析技術(shù)教程

Abaqus：Abaqus復(fù)合材料分析技術(shù)教程

1Abaqus復(fù)合材料分析教程

1.1簡介

1.1.1復(fù)合材料的基本概念

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)方法組合

而成的新型材料。這些材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材

料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分

為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬

基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、

碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、鋁鉞碳化物等。

1.1.2Abaqus在復(fù)合材料分析中的應(yīng)用

Abaqus是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分

析中。它能夠處理復(fù)雜的非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和接觸非

線性。在復(fù)合材料分析中，Abaqus提供了多種復(fù)合材料模型，如層合板模型、

纖維增強(qiáng)模型和多尺度模型，以滿足不同復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析需求。

1.2層合板模型示例

在Abaqus中，層合板模型是分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的常用方法。下面是一個使

用Python腳本在Abaqus中創(chuàng)建層合板模型的示例。

ftAbaqus層合板模型創(chuàng)建示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport"

fromcompositeimport*

#創(chuàng)建一個新的模型

modelName='CompositePate'

myModel=mdb.Model(name=modelName)

#創(chuàng)建一個矩形參考面

mySketch=mdb.models[modelName].ConstrainedSketch(name-'_profile—sheetSize=100.0)

mySketch.rectangle(pointl=(0.010.0),point2=(100.0/50.0))

1

#從參考面創(chuàng)建一個參考面體

myPart=myModel.Part(name='Plate'/dimensionality=THREE_Dztype=DEFORMABLE_BODY)

myPart.ReferencePartFromSketchfsketch=mySketch,thicknessType=UNIFORM,thickness=1.0)

#定義復(fù)合材料層

myMaterial=myModel.Material(name='CompositeMateriar)

myMaterial.Elastic(type=ISOTROPIC/table=((100000.0/0.3),))

#創(chuàng)建層合板

myComposite=myModel.CompositeLayup(name='CompositeLayup',description=",elementType

=S4R)

,,

myComposite.CompositePly(name=Plyl/materiah'CompositeMaterial',thicknessType=SPECIFY_

THICKNESS,thickness=0.25)

,,

myComposite.CompositePly(name=Ply2/materia^'CompositeMateriar,thicknessType=SPECIFY_

THICKNESS,thickness=0.25)

,,

myComposite.CompositePly(name=Ply3/materia^'CompositeMaterial',thicknessType=SPECIFY_

THICKNESS,thickness=0.25)

,

myComposite.CompositePlv(name=Ply4'/materia^'CompositeMaterial',thicknessType=SPCCIFY_

THICKNESS,thickness=0.25i

#將層合板應(yīng)用到模型上

myPart.SectionAssignment(region=myPart.setsfSet-1'],sectionName='CompositeLayup'/offset=

0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField="/thicknessAssignment=FROM_SECTION)

#創(chuàng)建邊界條件和載荷

myPart.DisplacementBC(name='BC-l'/createStepName='lni:iar,region=myPart.setsl'Set-2'],ul=

0.0,u2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSETzfixed=OFF,distributionType=UNIFORM/fieldName=",loc

alCsys=None)

myPart.ConcentratedForce(name='Load-l,,createStepName='Step-l',region=myPart.sets['Set-3

cfl=100.0zamplitude=UNSEXdistributionType=UNIFORM,field=",localCsys二None)

#提交分析

['CompositePlate,].submit(consistencyChecking=OFF)

1.2.1示例解釋

在上述示例中，我們首先創(chuàng)建了一個名為CompositePlate的模型。然后，

使用矩形參考面創(chuàng)建了一個厚度為1.0的參考面體，代表復(fù)合材料層合板的幾

何形狀。接著，定義了復(fù)合材料的性質(zhì)，并創(chuàng)建了四個厚度為0.25的層合板。

通過SectionAssignment命令，將層合板應(yīng)用到模型的特定區(qū)域。最后，我們創(chuàng)

建了邊界條件和載荷，并提交了分析。

2

1.3纖維增強(qiáng)模型示例

纖維增強(qiáng)模型是Abaqus中另一種重要的復(fù)合材料分析方法，它能夠更精確

地模擬纖維和基體的相互作用。下面是一個使用Python腳本在Abaqus中創(chuàng)建

纖維增強(qiáng)模型的示例。

#Abaqus纖維增強(qiáng)模型創(chuàng)建示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsImport*

fromcaeModulesimport*

fromcompositeimport*

#創(chuàng)建一個新的模型

modelName='FiberReinforcedComposite'

myModel=mdb.Model(name=modelName)

#創(chuàng)建一個矩形參考面

mySketch=mdb.models[modelName].ConstrainedSketch(name='_profile_sheetSize=100.0)

mySketch.rectangle(pointl=(0.0/0.0),point2=(100.0,50.0))

才從參考面創(chuàng)建一個參考面體

,

myPart=myModel.Part(name=Plate',dimensionality=THREE_D/type=DEFORMABLE_BODY)

myPart.ReferencePartFromSketch(sketch=mySketch,thicknessTypeUNIFORM,thickness=1.0)

it定義纖維和基體材料

myFiberMaterial=myModel.Material(name='FiberMateriar)

myFiberMaterial.Elastic(type=ISOTROPIC,table=((150000.0z0.2),))

myMatrixMaterial=myModel.Material(name='MatrixMateriar)

myMatrixMaterial.Elastic(type=ISOTROPIC,table=((30000.0,0.4)/))

#創(chuàng)建纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

myComposite=myModel.Composite(name='FiberReinforcedComposite'/descriptiond',fibe，Mat

erial='FiberMaterial'zmatrixMateriah'MatrixMateriar,fiber0rientation=90.0)

#將更合材料應(yīng)用到模型上

,

myPart.SectionAssignment(region=myPart.sets[Set-l']/sectionName='FiberReinforcedComposite

',offset=O.OfoffsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField=',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

it創(chuàng)建邊界條件和載荷

,(1

myPart.DisplacementBC(nafne=BC-l'/createStepName='IniTial',region=myPart.sets[Set-2],ul=

0.0,u2=0.0zur3=0.0,amplitude=UNSETfixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName="/loc

alCsys=None)

myPart.ConcentratedForce(name='Load-l,,createStepName='Step-l',region=myPart.sets('Set-3

3

],cfl=100.0,amplitude=UNSETdistributionType=UNIFORf\Zzfield="zlocalCsys=None)

it提交分析

['FiberReinforcedComposite'].submit(consistencyCliecking=：OFF)

13.1示例解釋

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個名為FiberReinforcedComposite的模型，并

定義了纖維和基體材料的性質(zhì)。通過Composite命令，創(chuàng)建了纖維增強(qiáng)復(fù)合材

料，其中指定了纖維和基體材料以及纖維的取向角度。然后，將復(fù)合材料應(yīng)用

到模型的特定區(qū)域，并創(chuàng)建了邊界條件和載荷。最后，提交了分析。

通過以上示例，我們可以看到Abaqus在復(fù)合材料分析中的強(qiáng)大功能和靈活

性。無論是層合板模型還是纖維增強(qiáng)模型，Abaqus都能夠提供精確的分析結(jié)果,

幫助工程師更好地理解和優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

2Abaqus復(fù)合材料建模

2」創(chuàng)建復(fù)合材料層合板

在Abaqus中創(chuàng)建復(fù)合材料層合板，首先需要理解復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)和各

向異性特性。復(fù)合材料層合板由多層不同方向的纖維增強(qiáng)材料組成，每層材料

的屬性可能不同，這要求我們在建模時詳細(xì)定義每一層的屬性和方向。

2.1.1步驟1:定義層合板的幾何形狀

#導(dǎo)入Abaqus模塊

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport”

fromcaeModulesimport*

frompartimport*

frommaterialimport*

fromsectionimport*

fromassemblyimport*

fromstepimport*

frominteractionimport*

fromloadimport*

frommeshimport*

fromjobimport*

fromsketchimport*

fromvisualizationimport*

fromconnectorBehaviorimport*

#創(chuàng)建一個模型

4

model=mdb.models['Model-l]

it創(chuàng)建一個Part

part-model.ConstrainedSketch(name='_profile_sheetSize=200.0)

part.rectangle(pointl=(O.Oz0.0),point2=(100.0z50.0))

part=model.Part(name='CompositePlate',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

part.BaseShell(sketch=part)

#創(chuàng)建一個實例

,

instance=model.lnstance(name=CompositePlate-l'zpart=part,dependent=ON)

2.1.2步驟2：定義復(fù)合材料屬性

#定義材料

material=model.Material(name='CompositeMateriar)

material.Elastic(type=ISOTROPIC,table=((100000.0,0.3),))

#定義復(fù)合材料屬性

composite=model.CompositeLayup(name='CompositeLayup',description=",elementType=S4R)

composite.CompositePlyfname='Plyl',materiah'CompositeMateriar,thicknessType=SPECIFY_TH

ICKNESS,thickness=1.0/orientationType=SPECIFY_ORIEN'EorientationAngle^.O,plySuppression

=OFF,numlntPoints=3)

"

composite.CompositePly(name='Ply2,material='CompositeMateriarzthicknessType=SPECIFY_TH

ICKNESS,thickness=1.0/orientationType=SPECIFY_ORIENTzorientationAngle=90.0/plySuppressio

n=OFF,numlntPoints=3)

2.1.3步驟3：應(yīng)用層合屬性到層合板

#定義層合板的截面

,

section二model.Section(name='CompositeSection/materia^'CompositeMateriar,thickness=No

ne)

section.CompositeSolidSection(name='CompositeSolidSection'/layup='CompositeLayup)

#將截面應(yīng)用到實例

partmodel.parts['CompositePlate]

part.SectionAssignment(region=part.sets['Set-l'],sectionName='CompositeSection'zoffset=0.0/o

ffsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField="/thicknessAssignment=FROM_SECTION)

2.2定義復(fù)合材料屬性

復(fù)合材料的屬性定義是基于其各向異性的特性。在Abaqus中，可以通過定

義材料的彈性模量、泊松比、密度等基本屬性，以及纖維方向和層間屬性來詳

細(xì)描述復(fù)合材料。

5

2.2.1示例：定義各向異性復(fù)合材料屬性

撲定義各向異性材料屬性

material=model.Material(name='AnisotropicComposite')

material.Elastic(type=ENGINEERING_CONS7ANTS/table=((100000.0,0.3,0.3,0.0,0.0,0.0,0.0,0.

0,0.0),))

#定義復(fù)合材料的纖維方向

composite=model.CompositeLayupfname='AnisotropicLayup',descriptionh’,elementType=S4R)

,

composite.CompositePly(name='AnisotropicPly/material='AnisotropicComposite\thicknessType

=SPECIFY_THICKNESS,thickness=l.OzorientationType=SPECIFY_ORIENT,orientationAngle=O.Ozply

Suppression=OFF,numlntPoints=3)

composite.CompositePly(name='AnisotropicPly2'/material-AnisotropicComposite',thicknessTyp

e=SPECIFY_THICKNESS/thickness=1.0/orientationType=SPECIFY_ORIEN'[；orientationAngle=90.0/

plySuppression=OFF,numlntPoints=3)

#設(shè)置纖維方向

part=model.parts['CompositePlate]

part.MaterialOrientationfregion=part.setsCSet-l],localCsys=None,orientationType=GLOBAL,ad

ditionalRotationType=ROTATION_NONE,fieldName=",stackDirection=STACK_3,normalAxisDefini

tion=SURFACE,normalAxisRegion=part.sets['Set-2'],vector，),angle=0.0/additionalRotationField

二，stackDirectionRegion=part.sets['Set-31])

在上述代碼中，我們首先定義了一個各向異唾材料AnisotropicComposite,

然后創(chuàng)建了一個層合屬性AnisotropicLayup,并定義了兩個層AnisotropicPIy和

AnisotropicPly2,分別代表纖維方向為0度和90度的層。最后，我們通過

MaterialOrientation命令設(shè)置了纖維方向，這里使用了全局方向，并指定了層的

方向和堆疊方向。

通過這些步臊，我們可以在Abaqus中創(chuàng)建和定義復(fù)合材料層合板，為后續(xù)

的分析和模擬提供準(zhǔn)確的材料模型。

3復(fù)合材料失效分析

3.1設(shè)置失效準(zhǔn)則

在Abaqus中進(jìn)行復(fù)合材料分析時，設(shè)置失效準(zhǔn)則是一項關(guān)鍵步驟，它幫助

工程師預(yù)測復(fù)合材料在不同載荷條件下的行為。復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則通常基于

材料的特性，如纖維和基體的強(qiáng)度，以及復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)。Abaqus提供了

多種失效準(zhǔn)則，包括但不限于最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、Tsai-Wu準(zhǔn)則和

Hashin準(zhǔn)則。

3.1.1最大應(yīng)力準(zhǔn)則

最大應(yīng)力準(zhǔn)則基于復(fù)合材料中單個纖維或基朱的最大應(yīng)力來預(yù)測失效。在

6

Abaqus中，可以使用以下命令來定義最大應(yīng)力準(zhǔn)則：

#定義最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則

myCompositeDamagelnitiation:session.initiateCompositeDamagelnitiationfname='MaxStress',

definition=MAX_STRESS,

fiberTension=100.0z

fiberCompression=50.0/

matrixTension=20.0/

matrixCompression=10.0,

fibcrShcar=30.0z

matrixShear=15.0)

在這個例子中，myCompositeDamagelnitiation是定義的失效準(zhǔn)則對象，

MAX_STRESS指定了使用最大應(yīng)力準(zhǔn)則。fiberTension.fibercompression

matrixTension.matrixcompressionfiberShear和matrixShear分別定義了纖維和

基體在拉伸、壓縮和剪切條件下的強(qiáng)度極限。

3.1.2最大應(yīng)變準(zhǔn)則

最大應(yīng)變準(zhǔn)則基于復(fù)?合材料中纖維或基體的最大應(yīng)變來預(yù)測失效。在

Abaqus中，定義最大應(yīng)變準(zhǔn)則的命令如下：

#定義最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則

myCompositeDamagelnitiation=session.initiateCompositeDamagelnitiation(name='MaxStrain';

definition=MAX_STRAIN/

fiberTension=0.01f

fiberCompression=0.005/

matrixTension=0.002,

matrixCompression^.001,

fiberShear=0.003/

matrixShear=0.0015)

在這個例子中，應(yīng)變值(fiberTension.fibercompression等)通常以小數(shù)形

式給出，表示材料在失效前的最大應(yīng)變。

3.1.3Tsai-Wu準(zhǔn)則

Tsai-Wu準(zhǔn)則是一種基于復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的二次失效準(zhǔn)則。在

Abaqus中，定義Tsai-Wu準(zhǔn)貝”的命令如下：

#定義Tsai-Wu失效準(zhǔn)則

myCompositeDamagelnitiation=session.initiateCompositeDamagelnitiation(name=,TsaiWu',

definition=TSAI_WU,

fiberTension=100.0z

fiberCompression=-50.0z

matrixTension=20.0f

matrixCompression=-10.0/

fiberShear=3O.Oz

matrixShear=15.0/

7

fiberTensionCoeff=1.0/

fiberCompressionCoeff=1.0,

matrixTensionCoeff=1.0/

matrixCompressionCoeff=1.0z

fiberShearCoeff=1.0/

matrixShearCoeff=1.0）

Tsai-Wu準(zhǔn)則需要額外的系數(shù)（fiberTensionCoeff等）來調(diào)整不同應(yīng)力狀態(tài)

下的失效預(yù)測。

3.1.4Hashin準(zhǔn)則

Hashin準(zhǔn)則是一種廣泛使用的復(fù)合材料失效準(zhǔn)則，它考慮了纖維和基體的

損傷機(jī)制。在Abaqus中，定義Hashin準(zhǔn)則的命令如下：

#定義Hoshin失效準(zhǔn)則

myCompositeDamagelnitiation=session.initiateCompositeDamagelnitiation（name='Hashin,,

definition=HASHIN/

fiberTension=100.0z

fiberCompression=-50.0,

matrixTension=20.0f

matrixCompression=-10.0/

fiberShear=30.0z

matrixShear=15.0）

Rashin準(zhǔn)則直接使用纖維和基體的強(qiáng)度極限來預(yù)測復(fù)合材料的損傷。

3.2分析復(fù)合材料的失效模式

一旦設(shè)置了失效準(zhǔn)則，Abaqus可以進(jìn)行復(fù)合材料的失效分析，以預(yù)測材料

在不同載荷條件下的損傷模式。這包括纖維損傷、基體損傷和界面損傷。遁過

后處理，可以可視化這些損傷模式，幫助工程師理解復(fù)合材料的性能和優(yōu)化設(shè)

計。

3.2.1后處理可視化損傷

在Abaqus/CAE中，可以使用以下步躲來可視化復(fù)合材料的損傷：

1.打開結(jié)果文件（.odb）c

2.選擇“FieldOutput”選項。

3.從列表中選擇損傷變量,如“Compositedamageinitiation”或

aCompositedamageevolution”。

4.使用“ContourOptions”來調(diào)整顯示設(shè)置，如損傷的范圍和顏色

圖。

5.通過“DisplayBody”選項選擇要顯示損傷的模型部分。

8

3.2.2示例：Hashin準(zhǔn)則下的損傷分析

假設(shè)我們有一個簡單的復(fù)合材料層合板模型，使用Hashin準(zhǔn)則進(jìn)行失效分

析。在分析完成后，我們可以通過以下Python腳本來可視化損傷：

#加載結(jié)果文件

odb=session.openOdb(name='CompositePlate.odb')

#選擇損傷變量

damageFleld=odb.stepsfStep-l'J.framest-ll.fleldOutputsCCDAMAGE']

#創(chuàng)建損傷的輪廓圖

session.contourOptions.setValues(contourType=USER_DEFINEDz

contourLabels=ON,

contourLabelPrecision=3z

contourLabelFrequency=l/

contourLabelSize=12#

contourLabelFont='Ariarz

contourLabelColor=(0.0/0.0,0.0),

contourLabelBackgroundColor=(1.0/1.0,1.0),

contourLabelPosition=TOP,

contourLabelOffset^.O,

contourLabelAngle=0.0,

contourLabelFormat=DECIMAL,

contourLabelPrecision=3z

contourLabelFrequency=lz

contourLabelSize=12,

contourLabelFont='Arial'/

contourLabelColor=(0.0/0.0,0.0),

contourLabelBackgroundColor=(1.0,1.0,1.0),

contourLabelPosition=TOP,

contourLabelOffset=0.0/

contourLabelAngle=0.0)

#顯示損傷

session.viewports['Viewport:l'].setValues(displayedObject=odb)

session.viewports['Viewport:l'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(CONTOURS_ON_DEF/))

session.viewports['Viewport:l'].odbDisplay.contourOptions.setValues(contourMethod=USER_DE

FINED,

contourUserDefined=10,

contourllserDefinedMin=0.0,

contourllserDefinedMax=1.0)

#更新視圖

session.viewports['Viewport:l'].odbDisplay.setFrame(step=3,frame=C)

9

session.viewports['Viewport:l'l.odbDisplay.setPrimaryVariablefvariableLabeh'CDAMAGE',

outputPosition=INTEGRATION_POIN7；

refinement=(SMOOTH,))

在這個例子中，我們首先加載了結(jié)果文件，然后選擇了損傷變量CDAMAGE。

通過設(shè)置輪廓選項和顯示設(shè)置，我們可以在Abaqus/CAE中可視化損傷的分布。

通過上述步驟和示例，工程師可以有效地在Abaqus中設(shè)置和分析復(fù)合材料

的失效準(zhǔn)則，從而預(yù)測和理解復(fù)合材料在實際應(yīng)用中的損傷模式。

4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析

4.1施加載荷和邊界條件

在Abaqus中，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，正確施加載荷和邊界條件是確

保分析結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。復(fù)合材料因其各向異性特性，對外部載荷的響

應(yīng)與傳統(tǒng)均質(zhì)材料有所不同，因此，理解如何在Abaqus中設(shè)置這些條件至關(guān)重

要。

4.1.1施加載荷

Abaqus允許用戶通過多種方式施加載荷，包括：

?集中力：可以在特定的節(jié)點或點上施加。

?分布力：可以在結(jié)構(gòu)的表面或體積上施加。

?壓力：適用于表面載荷，如風(fēng)壓或水壓。

?溫度載苻:用于熱應(yīng)力分析，可以施加溫度變化或熱流。

示例：施加分布力

#在Abaqus中施加分布力的示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport+

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建一個Session

executeOnCaeStartup()

#打開模型

mdb.modelsCModel-l'J.partsCCompositePartJ.Surfacetname='Surface-l',sidelEdges=region)

轉(zhuǎn)施加分布力

,

mdb.models['Model-l'].SurfaceTraction(name='Traction-l/surface:'Surface-1，

magnitude=10.0,distributionType=UNIFORM,

field3",localCsys=None)

10

在上述代碼中，我們首先從Abaqus模塊中導(dǎo)入必要的函數(shù)。然后，我們創(chuàng)

建一個名為Surface-1的表面，這通常是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域上進(jìn)行的。

最后，我們施加一個分布力，其大小為10.0,分布類型為均勻。

4.1.2設(shè)置邊界條件

邊界條件的設(shè)置同樣重要，它定義了結(jié)構(gòu)的約束，包括：

?固定約束：阻止結(jié)構(gòu)在特定方向上的位移。

?位移約束:規(guī)定結(jié)構(gòu)在特定方向上的位移量。

?旋轉(zhuǎn)約束:控制結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。

示例：固定約束

#在Abaqus中設(shè)置固定約束的示例

,,,,

mdb.models('Model-l'].parts[CompositePart].Set(name=Set-l/nodes=region)

#設(shè)置固定約束

,

mdb.models['Model-i'].L)isplacementBC(name='BC-l/createStepName="5tep-i'/

region=mdb.modelsCModel-l'J.setsfSet-l'],

ul=SETu2=SETur3=SETamplitude=UKSE7；

fixed=OFFzdistributionType=UNIFORM,fieldName="z

localCsys=None)

這段代碼展示了如何在Abaqus中設(shè)置固定約束。我們首先定義一個節(jié)點集

Set-1,然后在該集上旎加位移邊界條件，其中ul=SE1；u2=SET,ur3;SET表示在三

個方向上都施加了固定約束。

4.2進(jìn)行線性和非線性分析

Abaqus提供了強(qiáng)大的線性和非線性分析功能，適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多種

分析場景。

421線性分析

線性分析假設(shè)材料的響應(yīng)與載荷成正比，適用于小變形和小應(yīng)變的情況。

在Abaqus中，線性分析通常用于初步設(shè)計階段，以快速評估結(jié)構(gòu)的性能。

示例：線性靜態(tài)分析

#在Abaqus中進(jìn)行線性靜態(tài)分析的示例

,

mdb.models('Model-l'].StaticStep(name=Step-l'/previous='lnitiarz

description=",timePeriod=l.O,

initiallnc=None,minlnc=None,maxlnc=None,

nlgeom=LINEAR,stabilizationMethod=None/

11

stabilizatonMagnitude=None,

continueDampingFactors=None/

adaptiveDampingRatio=None,

noStop二None,amplitude=UNSETz

autolncCalc=DEFAULT)

在本例中，我們創(chuàng)建了一個名為Step-1的線性靜態(tài)分析步。timePeriod參

數(shù)定義了分析步的持續(xù)時間，而nlgeom=LINEAR表明我們進(jìn)行的是線性分析。

422非線性分析

非線性分析考慮了材料的非線性行為，如塑性、大變形和接觸效應(yīng)，適用

于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷條件下的分析。

4.221示例：非線性靜態(tài)分析

#在Abaqus中進(jìn)行非線性靜態(tài)分析的示例

,

mdb.models['Model-l'].StaticStep(name=Step-2'/previous='Step-l'/

description：”，timePeriod=1.0,

initiallnc=None/minlnc=None/maxlnc=None,

nlgeom=NONLINEAR/stabilizationMethod=DAMPING,

stabilizationMagnitude=0.05,

continueDampingFactors=None/

adaptiveDampingRatio^.05,

noStop=Nonezamplitude=UNSE7；

autolncCalc=DEFAULT)

這里，我們創(chuàng)建了一個非線性靜態(tài)分析步Aep；,其中nIgeom二NC)NLINEAR

指定了分析為非線性。stabilizationMethod=DAMPING和

stabilizationMagnitude=0.05用于控制分析的穩(wěn)定性，而

adaptiveDampingRatio=0.05則用于自適應(yīng)地調(diào)整回尼比。

通過上述示例，我們可以看到在Abaqus中有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，如

何施加載荷和邊界條件，以及如何設(shè)置線性和非線性分析步。這些步驟是復(fù)合

材料結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，掌握它們將有助于更深入池理解和分析復(fù)合材料的復(fù)雜

行為。

5后處理與結(jié)果解釋

5.1可視化分析結(jié)果

在Abaqus復(fù)合材料分析中，后處理階段是至關(guān)重要的，它幫助我們理解模

型的響應(yīng)并驗證分析的準(zhǔn)確性。Abaqus/CAE提供了強(qiáng)大的可視化工具，可以用

來查看和分析應(yīng)力、應(yīng)變、位移等結(jié)果。

12

5.1.1例：可視化復(fù)合材料的應(yīng)力分布

假設(shè)我們有一個復(fù)合材料板的模型，經(jīng)過分析后，我們想要查看其在特定

載荷下的應(yīng)力分布。在Abaqus/CAE中，可以通過以下步驟實現(xiàn)：

1.打開結(jié)果文件：在Abaqus/CAE中,選擇File>Read>Results,然

后選擇你的.odb文件。

2.選擇結(jié)果步：在HistoryOutput或FieldOutput中選擇你想要查看

的結(jié)果步。

3.顯示應(yīng)力：在Display選項片中，選擇Contour>Stress,然后選擇

你想要查看的應(yīng)力類型，如S-equivalent(等效應(yīng)力)或S11(第一主應(yīng)

力)。

4.調(diào)整顯示設(shè)置：在ContourOptions中，你可以調(diào)整顏色圖、等值

線、范圍等，以更好地可視化應(yīng)力分布。

Abaqus/CAEPythonScriptingExample

#加載Abaqus模塊

fromabaqusimport+

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#打開ODB文件

odb=openOdb('CompositePlate.odb')

ft創(chuàng)建一個可視化窗口

session.viewportsJ'Viewport:l'].setValues(displayedObject=odb)

#選擇結(jié)果步

session.viewports['Viewport:l'J.odbDisplay.setFramefstep^Step-l',frame=l)

#顯示等效應(yīng)力

session.viewports['Viewport:l'].odbDisplay.displayBody=CN

session.viewports['Viewport:l'].odbDisplay.contourOptions.setValues(contourType=CONTOUR/c

ontourMethod=DIRECXcontourVariable=,S-equivalent')

力調(diào)整顏色圖

session.viewports['Viewport：l'].odbDisplay.contourOption$.setValues(contourType=CONTOUR/c

,

ontourMethod=DIRECTcontourVariable=S-equivalent'/contourStyle=COLOR,contourColorMeth

od二STANDARD,contourColorMap=COLOR_MAP_RAINBOW)

#關(guān)閉ODB文件

odb.close()

13

5.1.2解釋

上述代碼示例展示了如何使用Abaqus/CAE的Python腳本來可視化復(fù)合材

料板的等效應(yīng)力分布。首先，我們加載了必要的Abaqus模塊，然后通過

openOdb函數(shù)打開一個.odb文件。接著，我們設(shè)置了可視化窗口的顯示對象，

并選擇了特定的結(jié)果步和幀。通過contourOptions,我們調(diào)整了顯示設(shè)置，包

括選擇等效應(yīng)力作為顯示變量，以及設(shè)置顏色圖和顯示風(fēng)格。

5.2解釋復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變行為

復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變行為通常比均質(zhì)材料復(fù)雜，因為它們的性能在不同方

向上可能有很大差異。在Abaqus中，我們可以通過分析復(fù)合材料的層合板模型,

來理解其在不同載荷下的行為。

5.2.1例：分析復(fù)合材料層合板的應(yīng)力應(yīng)變曲線

假設(shè)我們有一個復(fù)合材料層合板模型，我們想要分析其在拉伸載荷下的應(yīng)

力應(yīng)變行為。在Abaqus中，可以通過以下步驟獲取應(yīng)力應(yīng)變曲線：

1.定義輸出請求：在分析前，確保在OutputRequests中定義了

HistoryOutput,以記錄節(jié)點的位移和應(yīng)力。

2.提取數(shù)據(jù)：分析完成后，使用Abaqus/CAE的Python腳本來提取

應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

3.繪制曲線：使用Python的matplotlib庫來繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線。

#Abaqus/CAEPythonScriptingExample

#加載Abaqusmatplotlib模塊

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport"

importmatplotlib.pyplotaspit

#打開ODB文件

odb=openOdb('CompositeLaminate.odb')

.提取應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)

stress=(]

strain=[]

forframeinodb.steps['Step-l'].frames:

stress.append(frame.fieldOutputs['S,].getSubset(region=Region(nodes=odb.rootAssembly.insta

ncest'INSTANCE-l'J.nodestcnDJ.valuestOl.datafO])

strain.append(frame.fieldOutputs['U,].getSubset(region=Region(nodes=odb.rootAssembly.insta

ncesClNSTANCE-l'J.nodestcnJD.valueslOl.datafO])

it繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線

plt.plot(strain,stress)

14

plt.xlabel('Strain')

plt.ylabel('Stress')

plt.title('Stress-StrainCurveofCompositeLaminate')

plt.show()

#關(guān)閉ODB文件

odb.close()

5.2.2解釋

在上述代碼示例中，我們首先加載了Abaqus和matplotlib模塊。然后，我

們打開了一個.odb文件，并從特定的結(jié)果步中提取了應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。我們遍

歷了所有幀，提取了第一個節(jié)點的應(yīng)力和應(yīng)變值，然后使用matplotlib庫繪制

了應(yīng)力應(yīng)變曲線。這有助于我們理解復(fù)合材料層合板在拉伸載荷下的行為，包

括其彈性模量、屈服點等特性。

6高級主題

6.1復(fù)合材料的多尺度分析

6.1.1原理

復(fù)合材料的多尺度分析是一種綜合考慮材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的分析方

法。在Abaqus中，這種分析通常通過嵌入微觀模型（如RVE,代表性體積單元）

到宏觀模型中實現(xiàn)，以準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)合材料在不同載荷條件下的行為。多尺度分

析的核心在于將微觀尺度的力學(xué)響應(yīng)與宏觀尺度的力學(xué)行為相聯(lián)系，從而提供

更精確的復(fù)合材料性能預(yù)測。

6.1.2內(nèi)容

1.微觀模型的建立：首先，需要創(chuàng)建一個RVE模型，該模型代表復(fù)

合材料的微觀結(jié)構(gòu)。RVE應(yīng)包含復(fù)合材料的所有關(guān)鍵特征，如纖維、基

體和界面。

2.宏觀模型的定義：宏觀模型代表復(fù)合材料的使用環(huán)境，如結(jié)構(gòu)件

或組件。在Abaqus中，可以通過定義宏觀模型的邊界條件和載荷來模擬

實際應(yīng)用中的力學(xué)環(huán)境。

3.多尺度耦合：通過使用Abaqus的用戶子程序（如UMAT）或內(nèi)置

的多尺度分析工具，將微觀模型的響應(yīng)與宏觀模型相耦合。這一步驟是

多尺度分析的關(guān)鍵，它確保了微觀和宏觀噗型之間的信息傳遞。

4.結(jié)果分析：最后，分析多尺度分析的結(jié)果，包括應(yīng)力、應(yīng)變和損

傷行為，以評估復(fù)合材料的性能。

15

6.1.3示例

假設(shè)我們有一個碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料，我們想要分析其在

拉伸載荷下的行為。以下是一個使用Python腳本在Abaqus中進(jìn)行多尺度分析

的簡化示例：

#導(dǎo)入Abaqus模塊

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport”

fromcaeModulesImport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#執(zhí)ffAbaqus啟動腳本

executeOnCaeStartup()

#創(chuàng)建微觀模型

mdb.models('Model-l,].ConstrainedSketch(name='_profile_sheetSize=200.0)

mdb.modelsCModel-l'j.sketchesCprofile_].rectangle(pcintl=(O.O/0.0),point2=(100.0f100.

0))

mdb.models['Model-l'].Part(dimensionality^THREE_D/name='RVE'/type二DEFORMABLE_BODY)

,,

mdb.models['Model-l'].parts[RVE].BaseSolidExtrude(depth=100.0zsketch=mdb.models['MDdel-

l'].sketches['_profile_'])

#定義材料屬性

mdb.models!'Model-1'].Material(name='Fiber')

1

mdb.modelsCModel-1].materialsfFiber'].Elastic(table=((180e3z0.3),))

mdb.models['Model-l,].Material(name=,Matrix')

mdb.models['Model-l'].materials!'Matrix'].Elastic(table=((3.5e3z0.35),))

#創(chuàng)建宏觀模型

mdb.models['Model-ll].ConstrainedSketch(name=,_profile_sheetSize=200.0)

,

mdb.modelsl'Model-l'J.sketchesC_profile_].rectangle(pcintl=(0.0/0.0),point2=(1000.071000.

0))

,,

mdb.models['Model-l].Part(dimensionality^THREE_D,name=Macro'/type=DEFORMABLE_BOD

Y)

1

mdb.modelsCModel-l].parts['Macro'].BaseSolidExtrude(depth=1000.0/sketch=mdb.models['Mo

del-11].sketches!'_profile_1])

#定義多尺度分析

,,,

mdb.models['Model-l].Homogenization(name=Homogeni2ation/part='RVE'/

representativeVolumeElement='RVE'z

macroModel='Macro',

macroModelPart='Macro',

macroModellnstance=,Macro-ll,

macroModelStep='Step-l\

16

macroModelField='Displacement')

#應(yīng)用載荷和邊界條件

mdb.modelsCModel-l'J.StaticStepfname='Step-l',previous川nitial')

,

mdb.models['Model-l].parts['Macro'].Surface(name='TopSurface'/sidelEdges=mdb.models['Mo

del-11).partsCMacro'J.edges.findAtfdSOO.O,500.0,1000.0),)))

,,"

mdb.models[Model-l].SurfaceLoad(name=Tension'/surface='TopSurface'/

distributionType=UNIFORM,

field='Displacement'z

magnitude=100.0,

directionVector=(0.0/0.0,1.0))

#運(yùn)行分析

mdb.models['Model-l,].ste3s[lStep-l,].setValues(maxNumlnc=1000)

mdb.models['Model-l1].jobFromModel(modelName=,Model-1',name='CFRP_Multiscale_Analysi

s')

['CFRP_Multiscale_Analysis'].submit()

[,CFRP_Multiscale_Analysis'].waitForCompletion()

#分析結(jié)果

session.viewports['Viewport:l'].setValues(displayedObject=mdb.models['Model-l'].rootAssembl

y)

session.viewports['Viewport:l,].assemblyDisplay.setValues(step='Step-l",

field='Displacement'/

contourOn='Surfaces')

在這個示例中，我們首先創(chuàng)建了一個微觀模型(RVE)和一個宏觀模型-

(Macro)o然后,我們定義了材料屬性，并使用Abaqus的Homogenization功

能將微觀模型的響應(yīng)與宏觀模型相耦合。最后，我們應(yīng)用了拉伸載荷，運(yùn)行了

分析，并查看了結(jié)果。

6.2使用Python腳本自動化Abaqus復(fù)合材料分析

6.2.1原理

在Abaqus中，Python腳本可以用于自動化復(fù)合材料分析的多個方面，包

括模型創(chuàng)建、材料屬性定義、載荷和邊界條件應(yīng)用、分析設(shè)置和結(jié)果后處理。

通過編寫Python腳本，可以顯著提高分析效率，特別是在處理大量相似但參數(shù)

略有不同的模型時。

6.2.2內(nèi)容

1.模型自動化創(chuàng)建：使用Python腳本可以自動創(chuàng)建多個模型，每個

模型代表不同的復(fù)合材料配置或幾何形狀。

17

2.材料屬性自動化定義：腳本可以讀取材料屬性數(shù)據(jù)，并自動為每

個模型定義相應(yīng)的材料屬性。

3.載荷和邊界條件自動化應(yīng)用：Python腳本可以自動應(yīng)用各種載荷

和邊界條件，以模擬不同的使用場景。

4.分析設(shè)置自動化：腳本可以自動設(shè)置分析步驟、求解器控制參數(shù)

和輸出請求，確保每個模型的分析設(shè)置一致。

5.結(jié)果自動化后處理：分析完成后，腳本可以自動提取關(guān)鍵結(jié)果，

如應(yīng)力、應(yīng)變和損傷，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化。

6.2.37K例

以下是一個使用Python腳本自動化創(chuàng)建多個Abaqus復(fù)合材料模型的簡化

示例：

#導(dǎo)入Abaqus模塊

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport+

fromcaeModulesimport*

fromdriverlltilsimportexecuteOnCaeStartup

#執(zhí)行Abaqus啟動腳本

executeOnCaeStartup()

#定義模型參數(shù)

modelParams=[

{'name':'Model-1','fiberE':180e3,'matrixE':3.5e3},

{'name':'Model-2','fiberE':200e3,'matrixE':4.0e3}z

樣更多模型參數(shù)…

]

#自動化創(chuàng)建模型

forparaminmodelParams:

#創(chuàng)建模型

mdb.modelslparamCname']]

#創(chuàng)建微觀模型

mdb.models[paraml'name,]].ConstrainedSketch(name=,_profile__sheetsize200.0)

mdb.modelstparamCname'JJ.sketchesCprofile.].rectangle(pointl=(0.0/0.0),point2=(100.0z

100.0))

mdb.models[param「name]].Part(dimensionality=THREE_D,name='RVE\type-DEFORMABLE_

BODY)

,