复合材料三种建模方式比较研究

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1、复合材料三种建模方式比较研究应秀梅张鹏刘浩宇傅向荣（中国农业大学水利与土木工程学院土木系，100083）摘要：本文在Abaqus有限元分析软件中，分别用实体分层模型、实体不分层模型和壳体模型模拟复合材料的固化变形，比较三种模型在计算结果上的差异。关键词：复合材料，实体不分层建模，实体分层建模。一引言Abaqus有限元软件可以很好的模拟复合材料的固化变形问题。Abaqus有两种建模方式，壳体建模较之于实体建模比较简单，但是实体建模更接近于实际变形。但是，实体建模需要分层建模工作量相当大。Abaqus6.7版本有一种新的mesh方式—Bottom-Up法，可

2、以建实体不分层的模型，并用CompositeLayups命令赋予模型各向异性材料。本文在Abaqus有限元分析软件中，分别用实体分层模型、实体不分层模型和壳体模型模拟复合材料的固化变形，比较三种模型在计算结果上的差异。二模型算例及误差分析Bottom-Up法是一种新的网格划分方法，对于不同铺层的复合材料模型，可以不用分层建模，只要建立和工程上对应的坐标系就可以不用转换角度。以一平板模型（如图1所示）为例：用Bottom-Up法划分网格时，第一步，在meshcontrols菜单下选择Bottom-Up选项如图2所示，接着定义适当的seeds。第二步，用Cr

3、eateBottom-Up命令进行网格的划分。Bottom-Up法在划分网格时需要选择三种面：Sourceside，Connectingsides，Targetside，如图3所示。三种面的选取与坐标系有关，坐标系中z轴就是从Sourceside指向Targetside，而夹在Sourceside和Targetside之间的四个面就是Connectingsides。本例中三种面的选取如图4、图5、图6所示。值得注意的是Sourceside和Connectingsides可以选择一个或多个面，而Targetside只能选择一个面。第三步，用Composit

4、eLayups命令赋予模型各向异性材料如图7所示。其余步骤与实体分层建模一致。396图1平板模型及其坐标系图2meshcontrols菜单图3CreateBottom-Up菜单图4Sourceside（粉色）图5Targetside（白色）图6Connectingsides（黄色）SourceSideTargetSide图7CompositeLayups菜单赋材料图8左槽型模型及其坐标系图9三种面的选取示意图本文选取两个简单的算例，应用这一种新的建模方式及网格划分方法，并将结果与传统的实体分层模型和壳体模型作对比。2.1算例1：如图8左槽型构件，铺层角度

5、从左到右为45/0，建立如图8所示坐标系，约束下平板的刚体位移，并给整个模型加上从200℃-20℃的温度场。显然，由于坐标系的不同，该构件需分成五部分进行划分如图9所示，箭头所指的方向即为坐标轴z轴的方向。固化变形分别如图10、图11、图12所示。图10实体不分层U2图图11实体分层U2图图12壳体U2图2.2算例2：如图8左槽型构件，铺层角度从左到右为45/0/0/45，约束下平板的刚体位移，并给整个模型加上从200℃-20℃的温度场。固化变形分别如图13、图14、图15所示。397图13实体分层U2图图14实体不分层U2图图15壳体U2图表1左槽型构

6、件模型数据对比非对称铺层对称铺层左槽型构件45/045/0/0/45U2,maxU2,minU2,maxU2,min实体分层模型7.843e-02-2.362e-035.264e-04-4.347e-04实体不分层模型7.777e-02-2.256e-035.253e-04-4.141e-04误差0.92%4.48%0.21%4.74%壳体模型7.824e-02-2.380e-031.013e-03-1.286e-03误差0.24%0.76%92.4%195.8%计算表明，左槽型构件在非对称铺层情况下，三种模型计算的翘曲变形结果基本一致，而在对称铺层情况

7、下，实体分层模型和实体不分层模型计算的结果基本一致，壳体则有很大差异。三结论Abaqus实体不分层模型可以很好的模拟复合材料的固化变形，比实体分层模型简单方便，比壳体模型更接近工程实际结果，必将在以后关于复合材料固化变形的数值模拟中发挥巨大的作用。参考文献1庄茁，由小川，廖剑辉，岑松等.基于ABAQUS的有限元分析和应用.北京：清华大学出版社，2008398