復合材料由于具有較高的比強度、比模量和可設計性，在航空航天等領域一直都備受關注。隨著大量專家學者投入研究，其剛度、強度的預測已有了較為完善的理論。利用這些理論，通過在子程序中構建本構方程，可實現(xiàn)在ABAQUS等有限元軟件中得到與實驗結果較為接近的仿真結果。同樣的，耐壓縮沖擊性能也是實際工程應用中經(jīng)常需要考慮的一個性能，但由于復合材料壓縮的破壞形式較為復雜，且對于壁板結構，壓縮過程中又涉及到了穩(wěn)定性問題，所以對其進行有效的預測具有較大的難度。

       本期，我們就講講如何在ABAQUS中基于Vumat子程序來實現(xiàn)對復合材料在壓縮沖擊載荷作用下，有效地預測其破壞模式。

1. 方法概述—“兩步走”

       對于本文案例類似的結構，其在壓縮沖擊載荷作用下的破壞模式預測大致可分為兩大步，即穩(wěn)定性分析和破壞模式預測。

       1. 首先，我們需要建立一個屈曲分析步，引入擾動，在Model-edit keyword中添加相關關鍵字，并輸出節(jié)點位移文件。

       2. 然后，復制模型，修改分析步類型及邊界條件，并在Vumat子程序中構建材料本構，引入失效準則，利用ABAQUS顯式運算的方法，不停迭代產(chǎn)生損傷后的剛度矩陣，直至結構發(fā)生破壞。同樣的，在此步驟中也需要對關鍵字進行編輯。

       由于壓縮沖擊的破壞模式多種多樣，若需模擬某些特定的損傷模式，可在子程序中進行單元刪除的定義。

2. 案例

       本文以碳纖維增強復合材料薄壁方管為例，利用Vumat子程序預測其在沿軸長方向的壓縮沖擊載荷作用下的破壞模式。

2.1 問題描述

       試驗件由[0°/90°]的碳纖維布采用RTM工藝固化成型。實驗時，試驗件放置在試驗機底座上，上壓頭以1m/s的速度對試驗件進行壓縮沖擊，其有限元模型如圖1所示。

                                                            圖1 碳纖維薄壁方管加載示意圖

2.2 結果展示

       在本案例中，研究了試件和壓頭間摩擦效應的影響及試件壁厚的影響。

       在摩擦系數(shù)分別為0.1、0.15、0.2的情況下，可得到碳纖維薄壁方管的破壞模式如圖2所示，位移載荷曲線如圖3所示。可看出，摩擦系數(shù)的增加并沒有太大地影響其破壞模式。

                                              圖2 不同摩擦系數(shù)下碳纖維薄壁方管破壞模式預測

                                                 圖3 不同摩擦系數(shù)下碳纖維薄壁方管位移載荷曲線

       當碳纖維薄壁方管的鋪層厚度分別為3層、5層、9層時，可得到如圖4所示的破壞模式和圖5所示的位移載荷曲線。不難看出，鋪層厚度是一個影響碳纖維薄壁方管破壞模式的重要因素。

                                            圖4 不同鋪層厚度下碳纖維薄壁方管破壞模式預測

                                               圖5 不同鋪層厚度下碳纖維薄壁方管位移載荷曲線

3. 后記

       當然，本文介紹的方法同樣適用于其他類似結構、類似材料的壓縮沖擊破壞預測，僅需在Vumat子程序中調整相應參數(shù)即可。

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參考文獻：

Sokolinsky VS, Indermuehle KC, Hurtado JA. Numerical simulation of the crushing process of a corrugated composite plate. Compos A Appl Sci Manuf 2011;42(9):1119–26.