復材基礎建模分類
在開始之前，先歸納總結一下Abaqus中復合材料結構的兩類主要的建模方法，第一類就是本文后面要詳細展開講述的最基本的Abaqus復合材料建模方法，之前曾將其定義為“傳統建模”（達索官方教程稱這類建模叫Macro建模方法，為了便于跟composite layup快速建模區分開，自己就習慣叫“傳統建模”或“經典建模”了，沒想到后來被Victor經典案例分享公眾號直接抄襲了）。這種方法是早期有限元軟件常用的建模方法，延續了各向同性材料的建模思路，不同的區域創建并賦予不同的截面屬性，類似Nastran，hyperworks都是這種建模思路。后來Abaqus又增加了Composite layup建模方法，效率比較高，并且這種建模思路呢，就有點跟CAD復材制圖的思路很像了，比如CATIA 的CPD模塊，創建一個鋪層序列，然后單獨去指定每一個鋪層所占據的位置，相當便捷。
為了有便捷建模方法卻還要將經典的建模方法呢？因為在自己開發子程序的時候，比如UMAT或者
VUMAT子程序，只能采用經典建模方法，另外，還有顯式分析中，當使用三維材料模型時，也只能使用這種建模方法。
一般對于大尺寸復合材料結構，跨厚度比例大，滿足板殼理論的假設，采用殼單元就能獲得高的求解精度。殼單元計算效率高，結合二維損傷起始判據判據（Hashin, Tsai-Wu, Maxe, Maxs等）以及損傷演化準則還可以預測結構的危險區域、危險程度、破壞模式及破壞載荷等。
本文講述Abaqus中如何創建普通殼單元的復合材料開孔板結構有限元模型，模型中僅考慮對結構變形、應變、應力的求解，不涉及損傷起始及損傷演化部分。
在Part模塊下繪制幾何，幾何類型選擇3D、Deformable、Shell，草圖如下：
繪制完草圖后，點擊鼠標中鍵或視圖中的“Done”退出草圖，得到開孔板的幾何模型，如下：
與復合材料殼單元對應的是2D材料模型Lamina，將視圖切換至“Property”模塊，點擊創建材料按鈕
，在彈出窗口中選擇Mechanical→Elasticity→Elastic選項，在材料類型下拉框中選擇Lamina。
數據列表中的6個數據分別為縱向（沿纖維方向）彈性模量E1、橫向（垂直于纖維方向）彈性模量E2 （是下標）、面內泊松比Nu12以及三個方向的剪切模量G12、G13、G23。與其他商業有限元軟件略有不同的是，即使是對于二維材料模型，仍然需要輸入兩個面外的剪切模量G13和G23，這兩項數據是用于定義殼的橫向剪切剛度，不可缺少。一個復合材料分析模型中可以包含多種同類材料模型，例如層壓板內部采用碳纖維增強樹脂基復合材料，表層可以采用玻璃纖維增強樹脂基復合材料。
點擊創建屬性按鈕
，選擇Shell→Composite類型，如下圖。
點擊“Continue”，進入截面屬性設置界面（下圖）。該界面中首先要定義的是截面屬性積分方式，有兩種積分方式可供選擇：During analysis和Beforeanalysis，默認的是第一種。During analysis積分方式會在計算過程中，每個增量步重新計算截面屬性，計算量較大，但準確度高，當材料有明顯非線性（
塑性、損傷后剛度退化等）時，建議使用During analysis；Before analysis是在計算之前對截面屬性進行預積分，分析過程中截面屬性不再變化，計算量小。厚度方向積分算法默認為“Simpson”積分。
該界面中第二個要定義的是鋪層信息表，共5列，分別是Material（鋪層材料）、Thickness（鋪層絕對厚度）、Orientation Angle（鋪層角度）、Integration Points（單層厚度方向積分點數量）、Ply Name（鋪層名稱）。表格行數根據實際鋪層數量來定義，可復制、粘貼、添加、刪除和修改鋪層信息。
采用經典建模方法時，當整個結構中不同區域鋪層材料或者鋪層順序發生變化時，需要創建多個截面屬性與各個鋪層分區一一對應。
點擊賦屬性按鈕
，按照主窗口下方提示區的提示信息去選擇要賦予屬性的區域，當結構中有多個不同的鋪層分區時，應分別選擇對應的截面屬性逐個設置。對于復雜曲面結構或者有多零件組成的裝配體，需要通過調整殼的偏置來適應結構真實的空間位置，默認為厚度向中性面兩側對稱偏置，如下圖所示。
當幾何結構被賦予屬性時，顏色會由默認的灰色變成淺綠色。如果同一位置被多次賦予屬性，幾何會呈現黃色，此時應注意檢查屬性設置，刪除多余的屬性設置。
復合材料分析模型與金屬結構分析模型不同，由于材料具有各向異性，因此還需要額外指定鋪層坐標系，鋪層坐標系的X軸方向要與整個鋪層序列中0°層的纖維方向一致。
點擊創建坐標系按鈕
，有三種坐標系可以選擇：直角坐標系、圓柱坐標系和球坐標系。可根據自己的結構特征選擇合適的坐標系，針對本模型，選擇直角坐標系，然后按照視圖下方提示設定坐標原點、X軸方向以及XY平面。
坐標系創建完成以后，點擊指定材料方位按鈕，然后選擇創建好的坐標系，并指定法向方向和附加的旋轉角度，一般殼單元默認設置即可，在設定材料方位時，視圖中幾何模型上會顯示相應的局部坐標系，可以將Additional Rotation附加旋轉角度在0°、45°、90°及-45°之間不斷切換來檢查模型坐標系設置是否合理。
材料屬性、鋪層信息以及鋪層方位設置完成以后，可以通過“Query information”
中的“Ply stack plot”功能查看鋪層屬性設置準確性。點擊下圖中的“Plystack plot”功能鍵，CAE界面中會自動生成雙視圖，在左側視圖中點擊需要查詢信息的區域，右側視圖中會直觀顯示實際鋪層序列堆棧圖以及鋪層名稱、鋪層厚度、鋪層角度等信息。
將視圖切換到“Assembly”裝配模塊，點擊創建實例按鈕，進入以下界面：
創建裝配實例
創建實例有兩種方式，一種是基于自身模型的Part創建，一種是基于其他模型創建，會將所選擇的模型中的實例導入到當前模型下。
將視圖切換到“Mesh”模塊，進行網格劃分，一般建議幾何創建或導入完成之后，優先劃分網格，然后再去設置邊界、載荷、接觸等信息，對于復雜結構，在網格劃分過程中需要對結構進行切分，切分會破壞原始構型，導致先前設置的邊界、載荷、接觸等信息丟失，造成工作反復，將劃分網格步驟提前可避免上述問題。
首先是設置網格密度，共有兩個按鈕，
，左側的為全局網格密度設置，右側為局部網格密度設置，可以對特殊的邊線或者面設置不同的網格密度。在設置網格時，如果出現以下提示，是因為創建實例時選擇了Dependent類型，此類實例僅能在零件下劃分網格或設置網格屬性。解決辦法是將網格劃分的對象由“Assembly”切換到“Part”。
在全局網格密度設置界面下設定近似全局網格尺寸為2mm，其他默認設置。
然后點擊按鈕
去劃分網格，得到下圖所示的網格：
可以通過網格控制按鈕
來設置單元形狀和網格生成算法，
還可以通過單元類型設置按鈕
設置單元類型，默認的是四節點減縮積分單元S4R。
將視圖切換至“Step”模塊，點擊按鈕創建分析步
，復合材料結構分析中常用的分析步類型有“Static,General”和“Dynamic,Expicit”兩種，本案例選擇“Static,General”類型，創建一個靜力通用分析步。
Abaqus中的輸出有兩類，場輸出和歷史輸出，場輸出適合針對大量的對象進行低頻次輸出，如查看應力、應變及變形云圖；歷史輸出則適合針對少量的對象進行高頻次輸出，如監控系統能量或者繪制載荷位移曲線等。
另外需要注意的是，復合材料結構在設置場輸出變量時與各向同性材料不同，針對復合材料結構，默認場輸出僅輸出上下表層應力應變等信息，不會輸出中間層信息，因此需要進行特殊設置。如下圖所示，在“Output at layered section points”中輸入所有的截面點編號，比如殼單元中有四層鋪層，每一層厚度方向有3個截面點，則一共需要輸入12個截面點才能保證后處理中能查看所有鋪層的變量數據。
視圖切換到“Load”模塊，設置邊界條件和載荷。與常規各向同性材料模型一樣，一端設置固支，另一端給定拉伸位移1mm。
需要注意的是，邊界和載荷在整個建模過程中屬于最容易被忽視，但同時也是對計算結果影響最大的因素之一，設置邊界與載荷時應盡可能保證與真實結構受載和約束一致。
計算完成后，在“Job”模塊下點擊“Results”按鈕，可直接打開結果文件并跳轉至“Visualization”后處理模塊。
查看應力或應變等信息時，默認顯示的是第一個鋪層的計算結果。
當需要逐層查看應力水平時，點擊菜單Result→Section Points，在下圖所示的彈出窗口中，切換至Plies選項，將會出現在截面屬性中定義的所有鋪層，每一層的輸出位置又分為上中下三個位置。
將鋪層順序調整為[0/45/90/-45]s時，不同鋪層的應力云圖對比如下。
聲明：本文首發于“復合材料力學”微信公眾號，作者：君莫
