采用商業有限元軟件Abaqus進行復合材料結構建模時，一般有兩種建模方法：常規建模方法和Composite layup快速建模方法，主要差異在創建屬性、賦屬性和指定鋪層坐標系方面，常規建模方法和一般商業軟件類似，將創建材料、創建屬性、賦屬性和指定鋪層坐標系四個步驟分離，通用性較強，尤其是對于包含UMAT/VUMAT子程序開發的復合材料分析模型或者是三維實體單元顯式動力學分析模型，僅支持該類建模方法；Composite layup快速建模方法將創建屬性、賦屬性和指定鋪層坐標系三部分內容集成在一起，可一次性完成設置，效率較高。本文先從最基本的常規建模方法講起。

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-W, Maxe, Maxs等）可以預測結構的危險區域和危險程度，另外，Abaqus自身還內嵌了二維Hashin的漸進損傷分析模型，采用Hashin失效判據去判斷損傷起始，損傷起始以后采用基于能量演化的連續退化準則對材料剛度進行退化。

Abaqus中常用的殼單元類型有S4、S4R、S8R等。以下介紹復合材料開孔板殼單元模型的建模步驟。

第1步：繪制幾何

在Part模塊下繪制幾何，幾何類型為3D-Deformable- Shell，草圖如下：

繪制完草圖后，退出草圖，得到開孔板的幾何模型，如下：

第2步：創建材料

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，在跳出窗口中選擇Mechanical→Elasticity→Elastic選項，在材料類型下拉框中選擇Lamina，如下圖所示。

表格中的6個數據分別為縱向（沿纖維方向）彈性模量、橫向（垂直于纖維方向）彈性模量、面內泊松比以及三個方向的剪切模量。與其他商業有限元軟件不同的是，即使是對于二維材料模型，仍然需要輸入面外的剪切模量G13和G23，這兩項數據是用于定義殼的橫向剪切行為。

一個復合材料分析模型中可以包含多種材料模型，例如不同的鋪層采用不同的材料。

第3步：創建截面屬性

點擊創建屬性按鈕，選擇Shell→Composite類型，如下圖所示。

點擊“Continue”，進入屬性設置界面。

該界面中首選要定義的是截面屬性積分方式，有兩種積分方式：During analysis和Before analysis，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，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。

該界面中第二個要定義的就是鋪層信息表，共5列，分別是鋪層材料、鋪層絕對厚度、鋪層角度、單層積分點數量、鋪層名稱。表格行數根據實際鋪層數來定義。

當結構中不同區域有不同的鋪層材料或者鋪層順序時，可以創建多個截面屬性。

第4步：賦屬性

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，當有多個不同的鋪層區域時，分別選擇對應的截面屬性逐個設置。

當幾何結構被賦予屬性時，顏色會由默認的灰色變成綠色，如下圖所示。

第5步：指定鋪層坐標系

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的坐標系。

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，然后指定坐標原點、X軸方向以及XY平面即可。

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附件旋轉角度在0°、45°、90°及-45°之間不斷切換來檢查模型坐標系設置的對錯與否。（注：在Abaqus復合材料分析中，一般有總體坐標系、鋪層坐標系、材料坐標系以及斷面坐標系等，將在后續文章中做深入講解）。

第6步：創建裝配

將視圖切換到Assembly模塊，點擊創建實例按鈕，進入以下界面：

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。

創建完實例之后，視圖中會出現藍色裝配體。

第7步：劃分網格

將視圖切換到Mesh模塊，進行網格劃分，一般建議創建完幾何之后，優先劃分網格再去設置邊界、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，因此將劃分網格這一步提前。

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，可以對特別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，如下圖所示。

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。

然后點擊網格劃分按鈕去劃分網格，劃分網格以后視圖如下：

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。

第8步：設置分析步

將視圖切換至Step模塊，點擊按鈕創建分析步，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，創建一個靜力分析步。

分析步總時間默認為1秒，增量設置可以按下圖進行修改。

第9步：設置輸出

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（如查案應力、應變及變形云圖），歷史輸出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）

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也有不同，默認針對復合材料結構，場輸出至輸出上下表層，不會輸出中間層，因此需要進行特殊設置。如下圖所示，在Output at layered section points中應輸入所有的截面點編號，比如殼單元有四層鋪層，每一層有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場變量數據。

第10步：設置邊界和載荷

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，一端給定拉伸位移1mm，此處略去。

需要注意的是，邊界和載荷在整個建模過程中屬于最不起眼、最容易被忽視的步驟，但同時也是對計算結果影響最大的因素之一，萬不可小覷。

第11步：創建任務

切換到Job模塊，創建任務，提交計算。與傳統模型無異，此處略去。

第12步：查看結果

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后處理界面。

查看應力時，默認顯示的是第一層應力水平。

當需要查看每一層應力水平時，點擊菜單Result→Section Points，如下圖所示，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，如下圖所示。

第1層應力水平

第2層應力水平

【完結】

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