Digimat復合材料建模平臺與Abaqus的聯合使用

320科技工作室

2021年8月7日 14:04

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復合材料以優異的性能被廣泛應用于航空航天、高速鐵路、新能源等領域，然而隨著應用領域越來越廣，結構也更為復雜，給復合材料結構力學分析帶來了巨大的挑戰。尤其是在工程應用中的強度失效及斷裂問題的發生，常是發生在微米量級上。傳統板、殼等在宏觀尺度上的理論分析方法已很難滿足實際需要。因此，借助于計算機進行復合材料的小尺度分析是解決這一問題的關鍵。

Digimat復合材料建模平臺與Abaqus的聯合使用的圖1

復合材料的小尺度分析的核心步驟有以下兩點：小尺度（微米、納米量級）上的有限元模型的建立與細觀力學強度失效理論。本課程主要通過Digimat建立的細觀力學模型作為ABAQUS軟件的前處理輸入模型，在ABAQUS實現求解計算及后處理處理，以實現對跨尺度下的復合材料進行分析。

Digimat復合材料建模平臺與Abaqus的聯合使用的圖2

微尺度、中尺度和宏觀尺度模擬的維度

而關于細觀力學強度失效理論，現階段是考慮三個部分進行處理，分別是基體相、界面相（一般用0厚度的cohesive單元）、增強相（纖維、顆粒）。由于此塊內容是復合材料細觀分析的重點，故會在后續做一期專題系列課程，在這里簡單做一些我對這方面工作的理解與認識。對于基體相的強度失效處理是通過vumat或者Abaqus自帶的損傷本構（brittle damage、ductile damage以及shear damage）去實現單元失效刪除，以模擬出裂紋在基體中擴展的效果，一般情況下考慮基體的塑性損傷比較多。對于界面相的強度失效處理是在界面相與增強相嵌入0厚度的cohesive單元模擬界面脫粘裂紋，也有部分學者會考慮有厚度的界面相，而有厚度的界面相的強度失效處理是與基體相的處理相同。而對于增強相來說，一般情況下我們不考慮其強度失效，因為在實際工程應用或者科學實驗中，很少觀察到增強相的開裂，大多數失效形式是界面脫粘及基體開裂。

Digimat復合材料建模平臺與Abaqus的聯合使用的圖3

Digimat復合材料建模平臺與Abaqus的聯合使用的圖4

基體裂紋相互連接形成完整的斷口、初始界面脫膠

言歸正傳，下面簡單介紹一下Digimat軟件：

Digimat是復合材料多尺度建模與仿真軟件，能夠對復合材料進行微觀和宏觀分析，預測其表現并計算其機械、熱及電氣特性。DIGIMAT共由六個模塊組成，它們之間的數據可以相互傳遞，同時也可以方便地將計算結果及前處理模型導入到通用有限元軟件(ABAQUS、ANSYS、MARC、LS-DYNA)中進行深入分析。六個模塊依次為：

1.DIGIMAT-MF

DIGIMAT-MF是通過均勻化方法快速準確地預測復合材料的非線性行為。這一模塊基于單胞理論，即將復合材料劃分至最小單元，分別定義基體、增強體等材料的結構性能以及增強體含量，結合相關材料模型（如Drucker-prager模型等）計算復合材料機械性能等。

2.DIGIMAT-FE

DIGIMAT-FE是通過代表性單元體（RVE）法準確地預測復合材料的局部或整體非線性行為。基于此模塊，可以創建復雜的材料3D微觀尺度模型，并賦予結構性能以及相關載荷，結合商用有限元軟件ABAQUS等可精確實現基于細觀層次的復合材料及其各組分在外界載荷下的相應歷程。

3.DIGIMAT-MX

DIGIMAT-MX是為材料供應商和終端用戶之間提供DIGIMAT材料模型的準備、存儲、提取和安全交換。用戶可以充分利用此模型查詢材料常數，進行逆向工程，即由已知的復合材料模型反求基體或者是增強體的性能。

4.DIGIMAT TO CAE

DIGIMAT TO CAE是通過非線性多尺度模擬手段精確地預測復合材料結構的性能。此模塊為滿足客戶多樣化的需求，可實現有限元軟件與DIGIMAT的無縫銜接，使結果更為精確。

5.DIGIMAT-MAP

DIGIMAT-MAP為模流分析和結構分析提供高效的映射功能，實現不同網格數據信息的交互。基于此模塊，用戶可以精確地將模流分析結果（如纖維取向、溫度等信息）傳遞到通用有限元模型中，提高有限元分析準確性。

6.DIGIMAT-MICROSS

DIGIMAT-MICROSS通過微機械材料模型，快速而高效地實現蜂窩夾芯結構的設計。此模塊專為蜂窩結構而設計，可以滿足風機葉片、機翼等夾芯結構的快速設計。