Abaqus：Abaqus復(fù)合材料分析技術(shù)教程.Tex.header

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、鋁鈹碳化物等。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。#Abaqus層合板模型創(chuàng)建示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromcompositeimport*

#創(chuàng)建一個新的模型

modelName='CompositePlate'

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(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,50.0))

#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,thicknessType=UNIFORM,thickness=1.0)

#定義復(fù)合材料層

myMaterial=myModel.Material(name='CompositeMaterial')

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='Ply1',material='CompositeMaterial',thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,thickness=0.25)

myComposite.CompositePly(name='Ply2',material='CompositeMaterial',thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,thickness=0.25)

myComposite.CompositePly(name='Ply3',material='CompositeMaterial',thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,thickness=0.25)

myComposite.CompositePly(name='Ply4',material='CompositeMaterial',thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,thickness=0.25)

#將層合板應(yīng)用到模型上

myPart.SectionAssignment(region=myPart.sets['Set-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-1',createStepName='Initial',region=myPart.sets['Set-2'],u1=0.0,u2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

myPart.ConcentratedForce(name='Load-1',createStepName='Step-1',region=myPart.sets['Set-3'],cf1=100.0,amplitude=UNSET,distributionType=UNIFORM,field='',localCsys=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。1.3纖維增強模型示例纖維增強模型是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)建纖維增強模型的示例。#Abaqus纖維增強模型創(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(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,50.0))

#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,thicknessType=UNIFORM,thickness=1.0)

#定義纖維和基體材料

myFiberMaterial=myModel.Material(name='FiberMaterial')

myFiberMaterial.Elastic(type=ISOTROPIC,table=((150000.0,0.2),))

myMatrixMaterial=myModel.Material(name='MatrixMaterial')

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

#創(chuàng)建纖維增強復(fù)合材料

myComposite=myModel.Composite(name='FiberReinforcedComposite',description='',fiberMaterial='FiberMaterial',matrixMaterial='MatrixMaterial',fiberOrientation=90.0)

#將復(fù)合材料應(yīng)用到模型上

myPart.SectionAssignment(region=myPart.sets['Set-1'],sectionName='FiberReinforcedComposite',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

#創(chuàng)建邊界條件和載荷

myPart.DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Initial',region=myPart.sets['Set-2'],u1=0.0,u2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

myPart.ConcentratedForce(name='Load-1',createStepName='Step-1',region=myPart.sets['Set-3'],cf1=100.0,amplitude=UNSET,distributionType=UNIFORM,field='',localCsys=None)

#提交分析

['FiberReinforcedComposite'].submit(consistencyChecking=OFF)1.3.1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)合材料分析中的強大功能和靈活性。無論是層合板模型還是纖維增強模型，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2.1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

model=mdb.models['Model-1']

#創(chuàng)建一個Part

part=model.ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

part.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,50.0))

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

part.BaseShell(sketch=part)

#創(chuàng)建一個實例

instance=model.Instance(name='CompositePlate-1',part=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='CompositeMaterial')

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.CompositePly(name='Ply1',material='CompositeMaterial',thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,thickness=1.0,orientationType=SPECIFY_ORIENT,orientationAngle=0.0,plySuppression=OFF,numIntPoints=3)

composite.CompositePly(name='Ply2',material='CompositeMaterial',thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,thickness=1.0,orientationType=SPECIFY_ORIENT,orientationAngle=90.0,plySuppression=OFF,numIntPoints=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=model.Section(name='CompositeSection',material='CompositeMaterial',thickness=None)

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

#將截面應(yīng)用到實例

part=model.parts['CompositePlate']

part.SectionAssignment(region=part.sets['Set-1'],sectionName='CompositeSection',offset=0.0,offsetType=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。2.2.1示例：定義各向異性復(fù)合材料屬性#定義各向異性材料屬性

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

material.Elastic(type=ENGINEERING_CONSTANTS,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.CompositeLayup(name='AnisotropicLayup',description='',elementType=S4R)

composite.CompositePly(name='AnisotropicPly',material='AnisotropicComposite',thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,thickness=1.0,orientationType=SPECIFY_ORIENT,orientationAngle=0.0,plySuppression=OFF,numIntPoints=3)

composite.CompositePly(name='AnisotropicPly2',material='AnisotropicComposite',thicknessType=SPECIFY_THICKNESS,thickness=1.0,orientationType=SPECIFY_ORIENT,orientationAngle=90.0,plySuppression=OFF,numIntPoints=3)

#設(shè)置纖維方向

part=model.parts['CompositePlate']

part.MaterialOrientation(region=part.sets['Set-1'],localCsys=None,orientationType=GLOBAL,additionalRotationType=ROTATION_NONE,fieldName='',stackDirection=STACK_3,normalAxisDefinition=SURFACE,normalAxisRegion=part.sets['Set-2'],vector=(),angle=0.0,additionalRotationField='',stackDirectionRegion=part.sets['Set-3'])在上述代碼中，我們首先定義了一個各向異性材料AnisotropicComposite，然后創(chuàng)建了一個層合屬性AnisotropicLayup，并定義了兩個層AnisotropicPly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。通過這些步驟，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?；诓牧系奶匦?，如纖維和基體的強度，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體的最大應(yīng)力來預(yù)測失效。在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

myCompositeDamageInitiation=session.initiateCompositeDamageInitiation(name='MaxStress',

definition=MAX_STRESS,

fiberTension=100.0,

fiberCompression=50.0,

matrixTension=20.0,

matrixCompression=10.0,

fiberShear=30.0,

matrixShear=15.0)在這個例子中，myCompositeDamageInitiation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、matrixCompression、fiberShear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

myCompositeDamageInitiation=session.initiateCompositeDamageInitiation(name='MaxStrain',

definition=MAX_STRAIN,

fiberTension=0.01,

fiberCompression=0.005,

matrixTension=0.002,

matrixCompression=0.001,

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)則的命令如下：#定義Tsai-Wu失效準(zhǔn)則

myCompositeDamageInitiation=session.initiateCompositeDamageInitiation(name='TsaiWu',

definition=TSAI_WU,

fiberTension=100.0,

fiberCompression=-50.0,

matrixTension=20.0,

matrixCompression=-10.0,

fiberShear=30.0,

matrixShear=15.0,

fiberTensionCoeff=1.0,

fiberCompressionCoeff=1.0,

matrixTensionCoeff=1.0,

matrixCompressionCoeff=1.0,

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制。在Abaqus中，定義Hashin準(zhǔn)則的命令如下：#定義Hashin失效準(zhǔn)則

myCompositeDamageInitiation=session.initiateCompositeDamageInitiation(name='Hashin',

definition=HASHIN,

fiberTension=100.0,

fiberCompression=-50.0,

matrixTension=20.0,

matrixCompression=-10.0,

fiberShear=30.0,

matrixShear=15.0)Hashin準(zhǔn)則直接使用纖維和基體的強度極限來預(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。通過后處理，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，可以使用以下步驟來可視化復(fù)合材料的損傷：打開結(jié)果文件（.odb）。選擇“FieldOutput”選項。從列表中選擇損傷變量，如“Compositedamageinitiation”或“Compositedamageevolution”。使用“ContourOptions”來調(diào)整顯示設(shè)置，如損傷的范圍和顏色圖。通過“DisplayBody”選項選擇要顯示損傷的模型部分。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

damageField=odb.steps['Step-1'].frames[-1].fieldOutputs['CDAMAGE']

#創(chuàng)建損傷的輪廓圖

session.contourOptions.setValues(contourType=USER_DEFINED,

contourLabels=ON,

contourLabelPrecision=3,

contourLabelFrequency=1,

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,

contourLabelFormat=DECIMAL,

contourLabelPrecision=3,

contourLabelFrequency=1,

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:1'].setValues(displayedObject=odb)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(CONTOURS_ON_DEF,))

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.contourOptions.setValues(contourMethod=USER_DEFINED,

contourUserDefined=10,

contourUserDefinedMin=0.0,

contourUserDefinedMax=1.0)

#更新視圖

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setFrame(step=0,frame=0)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='CDAMAGE',

outputPosition=INTEGRATION_POINT,

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。溫度載荷: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.models['Model-1'].parts['CompositePart'].Surface(name='Surface-1',side1Edges=region)

#施加分布力

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

magnitude=10.0,distributionType=UNIFORM,

field='',localCsys=None)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-1'].parts['CompositePart'].Set(name='Set-1',nodes=region)

#設(shè)置固定約束

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',

region=mdb.models['Model-1'].sets['Set-1'],

u1=SET,u2=SET,ur3=SET,amplitude=UNSET,

fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',

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，然后在該集上施加位移邊界條件，其中u1=SET,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。4.2.1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-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',

description='',timePeriod=1.0,

initialInc=None,minInc=None,maxInc=None,

nlgeom=LINEAR,stabilizationMethod=None,

stabilizationMagnitude=None,

continueDampingFactors=None,

adaptiveDampingRatio=None,

noStop=None,amplitude=UNSET,

autoIncCalc=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。4.2.2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。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-1'].StaticStep(name='Step-2',previous='Step-1',

description='',timePeriod=1.0,

initialInc=None,minInc=None,maxInc=None,

nlgeom=NONLINEAR,stabilizationMethod=DAMPING,

stabilizationMagnitude=0.05,

continueDampingFactors=None,

adaptiveDampingRatio=0.05,

noStop=None,amplitude=UNSET,

autoIncCalc=DEFAULT)這里，我們創(chuàng)建了一個非線性靜態(tài)分析步Step-2，其中nlgeom=NONLINEAR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)整阻尼比。通過上述示例，我們可以看到在Abaqus中對復(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地理解和分析復(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。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)：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。選擇結(jié)果步：在HistoryOutput或FieldOutput中選擇你想要查看的結(jié)果步。顯示應(yīng)力：在Display選項卡中，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）。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')

#創(chuàng)建一個可視化窗口

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=odb)

#選擇結(jié)果步

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setFrame(step='Step-1',frame=1)

#顯示等效應(yīng)力

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.displayBody=ON

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.contourOptions.setValues(contourType=CONTOUR,contourMethod=DIRECT,contourVariable='S-equivalent')

#調(diào)整顏色圖

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.contourOptions.setValues(contourType=CONTOUR,contourMethod=DIRECT,contourVariable='S-equivalent',contourStyle=COLOR,contourColorMethod=STANDARD,contourColorMap=COLOR_MAP_RAINBOW)

#關(guān)閉ODB文件

odb.close()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：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。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)。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Abaqus和matplotlib模塊

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

importmatplotlib.pyplotasplt

#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-1'].frames:

stress.append(frame.fieldOutputs['S'].getSubset(region=Region(nodes=odb.rootAssembly.instances['INSTANCE-1'].nodes[0:1])).values[0].data[0])

strain.append(frame.fieldOutputs['U'].getSubset(region=Region(nodes=odb.rootAssembly.instances['INSTANCE-1'].nodes[0:1])).values[0].data[0])

#繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線

plt.plot(strain,stress)

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。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。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模型之間的信息傳遞。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。6.1.3示例假設(shè)我們有一個碳纖維增強聚合物（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)行Abaqus啟動腳本

executeOnCaeStartup()

#創(chuàng)建微觀模型

mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__'].rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,100.0))

mdb.models['Model-1'].Part(dimensionality=THREE_D,name='RVE',type=DEFORMABLE_BODY)

mdb.models['Model-1'].parts['RVE'].BaseSolidExtrude(depth=100.0,sketch=mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__'])

#定義材料屬性

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

mdb.models['Model-1'].materials['Fiber'].Elastic(table=((180e3,0.3),))

mdb.models['Model-1'].Material(name='Matrix')

mdb.models['Model-1'].materials['Matrix'].Elastic(table=((3.5e3,0.35),))

#創(chuàng)建宏觀模型

mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__'].rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(1000.0,1000.0))

mdb.models['Model-1'].Part(dimensionality=THREE_D,name='Macro',type=DEFORMABLE_BODY)

mdb.models['Model-1'].parts['Macro'].BaseSolidExtrude(depth=1000.0,sketch=mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__'])

#定義多尺度分析

mdb.models['Model-1'].Homogenization(name='Homogenization',part='RVE',

representativeVolumeElement='RVE',

macroModel='Macro',

macroModelPart='Macro',

macroModelInstance='Macro-1',

macroModelStep='Step-1',

macroModelField='Displacement')

#應(yīng)用載荷和邊界條件

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial')

mdb.models['Model-1'].parts['Macro'].Surface(name='TopSurface',side1Edges=mdb.models['Model-1'].parts['Macro'].edges.findAt(((500.0,500.0,1000.0),)))

mdb.models['Model-1'].SurfaceLoad(name='Tension',surface='TopSurface',

distributionType=UNIFORM,

field='Displacement',

magnitude=100.0,

directionVector=(0.0,0.0,1.0))

#運行分析

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(maxNumInc=1000)

mdb.models['Model-1'].jobFromModel(modelName='Model-1',name='CFRP_Multiscale_Analysis')

['CFRP_Multiscale_Analysis'].submit()

['CFRP_Multiscale_Analysis'].waitForCompletion()

#分析結(jié)果

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=mdb.models['Model-1'].rootAssembly)

session.viewports['Viewport:1'].assemblyDisplay.setValues(step='Step-1',

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）。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。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。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。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。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。6.2.3示例以下是一個使用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*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#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},

#更多模型參數(shù)...

]

#自動化創(chuàng)建模型

forparaminmodelParams:

#創(chuàng)建模型

mdb.models[param['name']]

#創(chuàng)建微觀模型

mdb.models[param['name']].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

mdb.models[param['name']].sketches['__profile__'].rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,100.0))

mdb.models[param['name']].Part(dimensionality=THREE_D,name='RVE',type=DEFORMABLE_BODY)

mdb.models[param['name']].parts['RVE'].BaseSolidExtrude(depth=100.0,sketch=mdb.models[param['name']].sketches['__profile__'])

#定義材料屬性

mdb.models[param['name']].Material(name='Fiber')

mdb.models[param['name']].materials['Fiber'].Elasti