低速沖擊的案例
層合板低速沖擊仿真
關鍵詞：ABAQUS VUMAT，低速沖擊，接觸力，失效，層合板
復合材料無論是從仿真角度還是從試驗角度，都是個金字塔式的研究。Step by step，環環相扣，缺一不可。
最近遇到很多學生都在做復合材料低速沖擊失效的分析。而在做沖擊分析之前，還得把材料的各個方向的靜強度、模量分析好，或者通過試驗得到準確的參數。
這樣拉伸、壓縮、剪切，不同方向都來一遍，工作量還是很大的。拿到這些基本參數后，才能開展沖擊仿真。
沖擊仿真，無論是想把失效形式、失效分布模擬出來，還是把接觸力響應曲線模擬出來，都很有難度。這是由接觸問題本身的復雜性以及試驗的分散性決定的。并且，顯示動力學求解速度慢，計算耗時長，仿真結果影響因素多。
因此，想把各個參數或者邊界條件都摸清楚，讓仿真能夠復現試驗，需要足夠的耐心，足夠的時間，和一臺配置還不錯的計算機。
本文我們結合一個論文的算例，采用ABAQUS VUMAT 給出低速沖擊下的層合板失效分析結果。
模型與參數
鋪層：16層，單層厚度0.1325mm。[0/±22.5/±45/±77.5/90]s。
層合板尺寸：150mm×100mm。
沖頭：2.077kg，R=8mm。
編輯
跳轉
材料是碳纖維復合材料，參數如下：
邊界條件與載荷
沖擊能量：11J，換算成沖擊速度是3.2546m/s。
約束：實際試驗中，板子被放在一個鏤空的工裝上，125mm×75mm。因此仿真中，約束125mm×75mm之外的底部節點的厚度方向位移。
圖來源：譚建設.復合材料層合板低速沖擊響應的試驗研究與仿真分析[D].上海交通大學,2014.
展開 港科大等《Composites Part B》：熱塑性復合材料低速沖擊響應分析研究
盡管如此，由于其易碎的性質，當受到低速沖擊(LVI)作用時，很容易分層。低速沖擊損傷會顯著降低復合材料結構的結構完整性和剩余機械性能，可導致層壓板的各種損壞，如基體開裂、脫粘、分層和纖維斷裂/失效。因此，在設計和制造這種結構時，應考慮纖維增強塑料的面外響應。關于纖維增強復合材料的制造，通常使用各種纖維/織物，如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等，樹脂又分為熱固性或熱塑性。
碳纖維由于其優異的面內機械性能，如高剛度和強度，已被普遍用于制造航空航天結構。然而，由于碳纖維的低韌性，它們在低速沖擊中表現出脆性行為，顯著降低了碳纖維復合材料的剩余壓縮性能，并威脅結構的完整性。為了緩解這一問題，通常將采用與玻璃纖維等其他纖維混合，這可以增加柔韌性，從而提高沖擊性能。此外，還可以降低成本。
復合材料力學微信公眾平臺：讓更多人了解你的研究成果
目前文獻中關于低速沖擊的研究大多數都是針對熱固性復合材料。熱固性樹脂在中高固化溫度范圍內具有優異的面內機械性能，但它們的抗沖擊性能很差。熱塑性復合材料是未來的整體發展趨勢，還可以回收利用，與熱固性復合材料層壓板相比，熱塑性復合材料層壓板具有良好的損傷容限和抗沖擊性能。
然而，由于傳統熱塑性樹脂(如PEEK聚醚醚酮)常溫下呈現固態，玻璃化轉變溫度高，不能使用真空輔助樹脂浸漬(VARI)工藝，因為這些樹脂需要達到高溫才能流動，因此只能通過使用昂貴的設備和高加工溫度來實現熱塑性復合材料的制造。為了解決這個問題，Arkema公司最近推出了一種新型丙烯酸甲基丙烯酸甲酯熱塑性樹脂Elium，它在室溫下是液態的，可用于VARI工藝，以提高生產率，降低勞動力和制造成本。
目前，針對在室溫下制造的熱塑性復合材料層壓板的低速沖擊行為研究甚少。
展開 設計仿真 | 復合材料微型無人機著陸過程中的低速沖擊分析
土耳其航空航天工業/中東技術大學在這項研究中，通過使用 MSC Dytran 的顯式有限元分析，研究了無人駕駛微型飛行器對土壤和剛性地面的低速沖擊的腹部著陸。
MSC Dytran
簡 介
在這項研究中，通過使用 MSC Dytran 的顯式有限元分析，研究了無人駕駛微型飛行器對土壤和剛性地面的低速沖擊的腹部著陸。微型無人機在其腹部降落在礫石、瀝青、水泥、草地和硬土上時，由于陣風等人無法控制的原因，在著陸過程中可能會受到低速沖擊。因此，該研究的主要目的是研究低速沖擊載荷對飛行器結構的影響，并為設計過程做出貢獻。分別針對機身和機身-機翼組合有無內部加強件進行了微型無人機的低速沖擊分析，并檢查了向分析模型添加不同子結構的效果。通過顯式有限元分析，確定了實際飛行試驗中機身與后尾梁之間因硬著陸而經常出現的、事先無法預測的損傷區。通過顯式有限元分析確定特定失效區域為改進設計提供了有價值的信息。
腹部著陸時的微型無人機
下圖顯示了腹部著陸時的微型無人機和損壞區域的位置以及硬著陸時經歷的實際故障。
展開 ABAQUS導入初始場變量（預定義場）多次低速沖擊以及沖擊后壓縮 ￥38
ABAQUS導入初始場變量（預定義場）
通常利用ABAQUS計算時，需要多步驟分析，例如計算多次低速沖擊以及沖擊后壓縮等，下面詳細描述利用數據傳遞方法進行多步驟分析。（建議購買視頻，視頻內包含此帖子）
導入效果圖如下：
導入的損傷云圖
導入的應力場
導入的位移場
分層損傷的導入
1. 計算完成后，新建一個ABAQUS 窗口，切記與上一步計算的ODB文件在同一個文件夾下，導入Part部件
復合材料低速沖擊插件：基于ASTM D7136標準自動化建模（Composite Impact Auto?Builder）
低速沖擊建模-模型圖</p><p class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(61, 167, 66);">2.3 局部網格控制與鋪層自動補齊</strong></p><p class="ql-align-justify"> 網格劃分：程序自動識別沖擊中心區域（50×50 mm），并在此范圍內執行網格加密。用戶可獨立設置中心加密區與外圍粗化區的單元尺寸，兼顧計算精度與效率。所有實體層采用 C3D8R 減縮積分單元并激活單元刪除，內聚力層采用 COH3D8 單元，沖頭則使用離散剛體單元 R3D4。網格劃分基于掃掠技術（Advancing Front）生成。</p><p class="ql-align-justify"> 鋪層邏輯：支持非對稱鋪層序列輸入，用戶通過逗號分隔輸入各層角度。若輸入角度數目少于設定的總層數，系統將自動以 0° 鋪層補齊所缺層信息，避免因輸入遺漏導致模型鋪層角度不完整。
展開 Abaqus 通過VUMAT子程序模擬復合材料的低速沖擊行為
徐穎, 溫衛東與崔海坡, 復合材料層合板低速沖擊逐漸累積損傷預測方法. 材料科學與工程學報, 2006(01): 第77-81頁.
[2]. 王躍全, 童明波與朱書華, 三維復合材料層合板漸進損傷非線性分析模型. 復合材料學報, 2009(05): 第159-166頁.
最后，有相關需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
微信公眾號：320科技工作室。
ABAQUS復合材料波紋板低速沖擊有限元分析 ￥3
ABAQUS復合材料波紋板低速沖擊有限元分析
Abaqus 通過VUMAT子程序模擬復合材料的低速沖擊行為
徐穎, 溫衛東與崔海坡, 復合材料層合板低速沖擊逐漸累積損傷預測方法. 材料科學與工程學報, 2006(01): 第77-81頁.
[2]. 王躍全, 童明波與朱書華, 三維復合材料層合板漸進損傷非線性分析模型. 復合材料學報, 2009(05): 第159-166頁.
復合材料層合板低速沖擊ANSYS
很常見的 復合材料層合板建模問題
[forum.simwe.com]ACP_Tutorial_Ex1.part3.rar
[forum.simwe.com]ACP_Tutorial_Ex1.part3.rar
[forum.simwe.com]ACP_Tutorial_Ex1.part1.rar
abaqus三維復合材料彈塑性+漸進損傷本構模型-3D VUMAT ￥145
流動應力：
σ0為初始屈服應力，n=3.58和A=7.18e-8為實驗值，屈服時有
使用關聯流動法則：
等效塑性應變增量根據下式計算：
附件內容：1. inp算例模型(低速沖擊工況，1/4模型，層間使用cohesive element) 2. 子程序 3 .使用方法 4.參考論文名稱
基于VUMAT復合材料夾層結構沖擊仿真
1 低速沖擊問題
夾層結構具備良好的吸能特性，其沖擊特性一直是被重點關注的方向。
本期主要對復合材料夾層結構低速沖擊的仿真進行介紹。
我本人做靜力問題相對多些，沖擊問題以前做過一個仿真效果，沒有深入研究。這幾天和學流體的師兄交流的時候，他說他同學有一個搞高速沖擊的，用流體的方法搞。
好奇心來了，流體的方法怎么搞？
師兄曰，高速情況下，彈子穿過一些物體，不就像彈子游在水里一樣嘛。
雖然說得很玄妙，但是好像很有道理。實際上流體和固體很多現象很接近。就比如帶孔板的拉伸和圓柱擾流，云圖真是傻傻難分。并且還真有學者找到兩者的本構共通性，用圓柱繞流來研究帶孔板。
一下子扯遠了，繼續低速沖擊。
2 模型
考慮如下模型，邊界條件為底部固支，上面板四個角點固支。面板失效基于Hashin準則判斷，芯層失效基于MISESS準則判斷。
看似簡單的問題往往暗含殺“雞”。
1） 沖頭設置為剛體，其密度的取值，不能直接賦予鋼的屬性。因為實際的沖頭結構為柱狀。建模中，處于簡化考慮，取頭部半球進行建模，為此需要根據實際沖頭質量，換算出仿真用沖頭的密度。
2） 面板和夾層之間可以綁定，如果夾層是蜂窩這類非均勻結構，用接觸屬性會比較合適，但是接觸的定義要考慮好，否則很容易穿透，或者大滑移。
3） 同樣的，沖頭和面板的接觸也要注意，網格的疏密和接觸屬性都可能造成穿透。
4） 為了防止網格過度扭曲，要對網格扭曲進行控制，也可以縮放其質量，或者對過度扭曲的單元，直接賦予高模量。
5） 載荷為速度載荷，如果已知沖擊能量，就根據沖頭質量進行速度換算，這是高中知識了。
3 VUMAT
1) 我們此次使用VUMAT最重要的目的是，實現失效區域的識別。
2) 本次VUMAT關鍵輸出，是應力的更新和損傷變量的更新。
展開 
abaqus復合材料、二次開發
復合材料沖擊與動態響應
6.1.結構動力學基礎理論與 ABAQUS 動力學分析工具
6.2.復合材料加筋板自由振動分析(實例）
6.3.低速沖擊理論與沖擊后剩余壓縮強度實驗方法
6.4.復合材料沖擊損傷模型與仿真流程
6.5.復合材料加筋板低速沖擊過程模擬與剩余強度計算（實例）
6.6.高速沖擊問題概述與模擬策略
6.7.
高速沖擊模擬（實例）
第四天
7. 高級編程與二次開發
7.1.工程材料本構關系與損傷模型簡介
7.2.基于 MATLAB 與 Python 的參數化建模與腳本編程（實例）
7.3.ABAQUS 接口子程序（UMAT、USDFLD 等）原理與應用
7.4.基于接口子程序的材料彈塑性與粘彈性分析（實例）
7.5.復合材料損傷分析（實例）
8. 論文寫作與科研指導
8.1.復合材料仿真計算文章（SCI）案例解析
8.2.SCI 論文撰寫規范與創新思路
8.3.航空航天復合材料發展趨勢與創新研究展望
8.4.
算例補充與論文寫作互動環節
歡迎各位學員帶著課程相關問題參加學習和交流，我們將全力為你們解決問題！
部分案例圖示：
帽型加筋板低速沖擊后壓縮
高速沖擊
-
飛鳥撞機翼
四、培訓講師：
全國重點大學、國家“985 工程”、“211 工程”重點高校教授及團隊成員。
展開 abaqus復合材料應用
實例操作:
1.復合材料層結構的三種常用建模方法、靜力分析中強度準則和損傷判據的引入、數據輸入與輸出
2.層合結構的熱-力耦合分析
3.基于虛裂紋閉合技術(VCCT)的分層擴展模擬
4.基于cohesive單元的分層/界面損傷擴展模擬
5.基于XFEM方法的裂紋擴展模擬
6.復合材料加筋板的壓潰分析
7.面內剪切載荷作用下的加筋板的承載能力預測
8.復合材料加筋板剪切失效模擬
9.顆粒增強金屬基復合材料結構建模、拉伸過程及失效分析
10.短纖維增強復合材料結構建模、胞元分析技術
11.復合材料加筋板自由振動分析
12.復合材料加筋板低速沖擊過程模擬
13.低速沖擊損傷的復合材料加筋板剩余壓縮強度計算
14.高速沖擊模擬
15.基于MATLAB的變角度鋪絲復合材料層合結構建模
16.基于Python的參數化建模及插件實例
17.基于UMAT接口子程序的材料彈塑性分析
18.基于UMAT接口子程序的材料粘彈性分析
19.基于USDFLD復合材料層合板的損傷分析
【abaqus復合材料】——第13期
（無限次回放視頻+班級微信群+案例模型+講義資料）
1、靜力分析和損傷、層合結構的熱-力耦合分析、
2、纖維增強復合材料層合板分層、界面損傷與xfem裂紋擴展
3、顆粒/短纖維拉伸與失效、胞元分析
4、復合材料加筋板壓潰、承載能力預測、剪切失效模擬
5、ABAQUS二次開發：以MATLAB、PYTHON及子程序和FORTRAN的二次開發方式為例
6、自由振動、動力響應分析、高低速沖擊、沖擊損傷加筋板剩余壓縮強度計算
7、abaqus復合材料 論文寫作及學術交流
【復合材料實例】老司機帶你玩轉abaqus！
展開 abaqus復合材料 案例多多
復合材料沖擊與動態響應
6.1.
結構動力學基礎理論與ABAQUS動力學分析工具
6.2.
復合材料加筋板自由振動分析(實例）
6.3.
低速沖擊理論與沖擊后剩余壓縮強度實驗方法
6.4.
復合材料沖擊損傷模型與仿真流程
6.5.
復合材料加筋板低速沖擊過程模擬與剩余強度計算（實例）
6.6.
高速沖擊問題概述與模擬策略
6.7.
高速沖擊模擬（實例）
第四天
7.
高級編程與二次開發
7.1.
工程材料本構關系與損傷模型簡介
7.2.
基于MATLAB與Python的參數化建模與腳本編程（實例）
7.3.
ABAQUS接口子程序（UMAT、USDFLD等）原理與應用
7.4.
基于接口子程序的材料彈塑性與粘彈性分析（實例）
7.5.
復合材料損傷分析（實例）
8.
論文寫作與科研指導
8.1.
復合材料仿真計算文章（SCI）案例解析
8.2.
展開 負體積（節點速度無限大）解決辦法
泡沫的沙漏控制算法為：在低速沖擊問題中采用type6，系數為1；在高速沖擊問題中采用type2和3。</p><p>6、泡沫材料網格劃分采用四面體網格，單元算法為10，雖然這樣會導致材料相對比較剛性。</p><p>7、增大材料（泡沫材料57號材料）的阻尼系數，推薦采用系數為0.5。</p><p>8、在泡沫接觸計算中，采用*contact中的選項卡B，關閉shooting node logic。</p><p>9、如果你采用的是126號材料，設置elform=0。</p><p>10、嘗試使用EFG算法（*SECTION_SOLID_EFG）</p><p><br></p><div width="100%" contenteditable="false">
<hr>
</div><p><br></p><div width="100%" contenteditable="false">
<hr>
</div><p><br></p><div width="100%" contenteditable="false">
<hr>
</div><p><br></p><h2><strong>其他</strong></h2><h2>特殊材料（泡沫）</h2><p>有人說使用全積分，也有人說避免使用全積分體單元（算法2和3），這會導致大變形大扭曲下相對不穩定，采用默認的單元算法（單點體單元），采用沙漏控制type4和5。泡沫的沙漏控制算法為：在低速沖擊問題中采用type6，系數為1；在高速沖擊問題中采用type2和3。這與前面說的全積分不是矛盾了嗎？</p><p>一些常用的解決負體積的方法如下：</p><p>1、在材料出現大應變的情況下增強材料的應力-應變曲線中材料應力。這種方法往往非常有效果。</p><p>2、重新劃分網格，在出現大變形的地方把網格加密。
展開 