復(fù)合材料有限元分析中如何計算損傷包絡(luò)面積？（附工具）
復(fù)合材料因其組份的多樣性和各向異性，導(dǎo)致其構(gòu)件設(shè)計制造階段和服役使用階段極易產(chǎn)生缺陷或損傷。在復(fù)合材料制作和固化過程中往往存在很多人為因素和工藝質(zhì)量的不穩(wěn)定性，這使得復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量具有一定的隨機性。另外，在使用過程中，復(fù)合材料對沖擊損傷非常敏感，如鳥撞、跑道砂石撞擊、工具掉落等都有可能造成復(fù)合材料損傷。這些缺陷和損傷往往在材料表面毫無目視可見的痕跡，而在材料內(nèi)部卻出現(xiàn)纖維斷裂、分層、脫粘等缺陷和損傷，大大降低了構(gòu)件的承載能力。
為了及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和檢測出材料內(nèi)部的缺陷和損傷，為進一步評價材料、結(jié)構(gòu)的可靠性奠定基礎(chǔ)，就需要引入無損檢測。目前，針對復(fù)合材料常用的無損檢測方法主要有目視法、超聲波法、X射線法、光學(xué)法、微波法和聲發(fā)射法等。
對于做有限元分析的人來講，在預(yù)測結(jié)構(gòu)損傷時，需要將計算所得的損傷包絡(luò)及損傷包絡(luò)面積與無損檢測結(jié)果進行對比。那么，如何在有限元分析結(jié)果中獲得準(zhǔn)確的損傷包絡(luò)及包絡(luò)面積呢？筆者曾經(jīng)用過最笨的方法是一個單元一個單元去數(shù)的，數(shù)來數(shù)去就暈了，今天就介紹以下Abaqus中的操作方法和工具。
這類單元實現(xiàn)起來最簡單，例如以下層壓板共八層，在沖擊載荷下，每一層的基體損傷如下圖所示。
如果想查看所有鋪層基體損傷的最大包絡(luò)面積，只需要點擊Results→Section points菜單，并按下圖所示進行設(shè)置即可。
此時顯示的云圖變成如下的形式：
然后，點擊“Create Display Group”，并選擇“Result Value”的分類型是，右側(cè)填寫相應(yīng)的損傷區(qū)間數(shù)值，如下圖所示。點擊“Replace”之后，視圖中將僅顯示損傷的單元。
然后點擊“Query information”快捷鍵，在彈出的工具欄中選擇“Mass properties”，并在下方提示區(qū)選擇“Select elements from viewport”，然后點擊“Done”即可。上述操作完成后，在界面下方會出現(xiàn)損傷區(qū)域面積、體積、重心、質(zhì)量等信息。
當(dāng)采用連續(xù)殼單元或者實體單元模擬復(fù)合材料層壓板且厚度方向有多個單元時，上述辦法就不好用了，此時需要借助以下插件來完成。以下將對該插件進行詳細(xì)的介紹。
(1) 適用范圍
僅限于含有多個鋪層的復(fù)合材料平板零件，且零件平行于XY平面，即復(fù)合材料沿Z軸堆棧。
支持單元為8節(jié)點或6節(jié)點復(fù)合材料實體單元、連續(xù)殼元或cohesive單元，如C3D8、C3D8R、SC8R、COH3D8、COH3D6等，對于普通殼單元可以簡單地通過視圖隱藏切換來計算包絡(luò)面積，故本插件開發(fā)時未針對殼單元。
默認(rèn)統(tǒng)計變量大于等于1的單元的損傷情況（基礎(chǔ)版）
因為需要對每個單元進行遍歷，當(dāng)損傷單元數(shù)量較大時，計算時間較長。
(2) 安裝方法
將插件復(fù)制到Abaqus工作目錄或者安裝目錄下的abaqus_plugins文件夾內(nèi)，如
D:\temp\abaqus_plugins
D:\SIMULIA\Abaqus\6.13-1\code\python\lib\abaqus_plugins
重啟Abaqus/CAE，在plug_ins菜單中就可以看到該插件工具
(3)使用方法
第一步：打開一個CAE模型，比如下圖所示的復(fù)合材料開孔板模型，一共4層，順序為0/90/45/-45的測試鋪層。材料本構(gòu)選擇的是Abaqus自帶的二維Hashin漸進失效模型。
第二步：提交計算，并打開計算結(jié)果odb文件，比如想查看基體拉伸損傷DAMAGEMT總包絡(luò)面積。下圖顯示的是4個鋪層各自的損傷面積，要根據(jù)每一層的損傷情況計算最大包絡(luò)面積。
第1層
第2層
第3層
第4層
全部4層，半透明顯示
第三步：打開plug_ins菜單中的“損傷包絡(luò)面積計算工具”。如下圖所示。具體參數(shù)說明如下：
Model：即選擇要查看的結(jié)果所對應(yīng)的模型
Part：在模型中選擇要查看損傷面積的零件
ODB：選擇要查看的結(jié)果文件
Step：指定要查看結(jié)果所在的分析步，如果只有一個分析步，默認(rèn)會自動選擇
Frame：指想要查看的結(jié)果所在的幀數(shù)，比如一共輸出了100次場輸出，想查看第90幀結(jié)果對應(yīng)的損傷面積，就在框中輸入89，默認(rèn)-1表示查看第一幀結(jié)果，0表示查看第一幀結(jié)果，i-1表示查看第i幀結(jié)果。
Variable Name：就是自己想要查看的變量名稱，比如Abaqus自帶的二維hashin漸進失效模型中，DAMAGEFT代表纖維拉伸損傷，DAMAGEMT代表基體拉伸損傷等等，變量名別輸錯哦。
第四步：執(zhí)行程序
點擊“Calculate”按鈕，開始執(zhí)行，右下方會有進度條顯示處理進度。
第五步：結(jié)果查看
程序執(zhí)行完畢后，會在CAE界面下方打印出總的包絡(luò)面積，如下：
同時，在CAE模型中會新增一個名為surface的平面零件，該平面即為所有鋪層損傷面積的包絡(luò)尺寸，如下圖所示。
將該surface零件與原零件裝配到一起可以對比查看損傷的總包絡(luò)，如下圖所示，比較直觀一些（紅線包絡(luò)區(qū)域為損傷區(qū)域）。
(4)其他測試
針對自定義VUMAT沖擊損傷模型，上述程序也可以執(zhí)行，例如以下沖擊損傷模型，SDV_DMT代表的是基體拉伸損傷.
執(zhí)行后的結(jié)果如下：
除了面內(nèi)損傷，還可以看表征分層損傷的變量QUADSCRT和SDEG
目前僅提供Abaqus6.13 、Abaqus6.14、Abaqus2017、Abaqus2018四個版本的執(zhí)行程序（非源代碼），其他版本Abaqus無法保證可用。
上述版本的插件執(zhí)行代碼為付費內(nèi)容咯，點擊購買可直接下載插件及測試模型。
【注】本文首發(fā)“復(fù)合材料力學(xué)”微信公眾平臺及“技術(shù)鄰”，未經(jīng)允許請勿轉(zhuǎn)發(fā)。
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