復合材料損傷分析的案例
Abaqus 考慮材料隨機性的復合材料漸進損傷分析
Abaqus 考慮材料隨機性的復合材料漸進損傷分析
由于制造工藝、外部環境等的影響，材料的隨機分布是個普遍存在的現象。目前針對復合材料的分析中，絕大部分并未考慮材料隨機性對仿真結果的影響。鑒于此，本文通過Umat子程序將材料隨機性引入復合材料的漸進損傷分析中，對比了不同的隨機分布對仿真結果的影響。
本文的仿真對象為一種短切纖維復合材料(芳綸紙)，主要從宏觀的角度研究了短纖維取向隨機性對計算結果的影響。
材料的隨機性一般可以認為服從正態分布或者weibull分布。正態分布可以通過Box-Muller算法實現。Box-Muller算法是通過服從均勻分布的隨機變量，來構建服從正態分布隨機變量的一種方法。具體實現方法為：選取兩個服從
[0,1]
上均勻分布的隨機變
量
U
1
、
U
2
，
X
、
Y
滿足
則
X
與
Y
服從均值為0，方差為
1
的正態分布。
通過上述算法，可以在Fortran中生成纖維取向在[0,90]之間服從正態分布的隨機數，以下為部分代碼
Fortran中生成服從Weibull分布隨機數的方法可以參照文獻[1]。http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1205134中同樣采用了文獻[1]中的方法生成了服從Weibull分布的隨機數。
復合材料的損傷萌生準則和損傷演化準則可以參考http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124。與之不同的是由于芳綸紙厚度很小，本文中只考慮了材料的面內損傷行為。
展開 Abaqus 考慮濕熱環境影響的復合材料漸進損傷分析
Abaqus 考慮濕熱環境影響的復合材料漸進損傷分析
濕熱環境的作用會導致復合材料本身的力學性能變化。 試驗研究表明，單向復合材料的力學性能在一定的濕熱范圍內單調變化，另一方面，濕熱環境在復合材料結構內產生濕熱變形與應力，導致基體、纖維或界面發生變化或破壞，從而使復合材料結構的剛度和強度發生變化。
濕熱應變可由下式表示
其中，熱應變為
濕度應變為
于是
損傷萌生準則和損傷演化準則等可以參考http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124
通過編寫umat子程序，可以計算得到以下結果
圖 1 損傷演化(上:纖維損傷；下:纖維間損傷)和載荷位移曲線
圖 2 濕熱環境對極限載荷的影響
參考文獻：劉玉佳, 燕瑛, 何明澤, et al. 濕/熱/力耦合條件下復合材料結構漸進損傷仿真[J]. 北京航空航天大學學報, 2012(03):103-107+112.
展開 考慮纖維隨機取向的復合材料漸進損傷分析在abaqus中umat子程序的實現
由于制造工藝、外部環境等的影響，材料的隨機分布是個普遍存在的現象。目前針對復合材料的分析中，絕大部分并未考慮材料隨機性對仿真結果的影響。鑒于此，本文通過Umat子程序將材料隨機性引入復合材料的漸進損傷分析中，對比了不同的隨機分布對仿真結果的影響。
本文的仿真對象為一種短切纖維復合材料(芳綸紙)，主要從宏觀的角度研究了短纖維取向隨機性對計算結果的影響。
材料的隨機性一般可以認為服從正態分布或者weibull分布。正態分布可以通過Box-Muller算法實現。Box-Muller算法是通過服從均勻分布的隨機變量，來構建服從正態分布隨機變量的一種方法。具體實現方法為：選取兩個服從
[0,1]
上均勻分布的隨機變
量
U
1
、
U
2
，
X
、
Y
滿足
則
X
與
Y
服從均值為0，方差為
1
的正態分布。
通過上述算法，可以在Fortran中生成纖維取向在[0,90]之間服從正態分布的隨機數，以下為部分代碼
Fortran中生成服從Weibull分布隨機數的方法可以參照文獻[1]。
復合材料的損傷萌生準則和損傷演化準則可以參考https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1260993。與之不同的是由于芳綸紙厚度很小，本文中只考慮了材料的面內損傷行為。
展開 abaqus復合材料 案例多多
Abaqus復材，線上直播，提供案例，回放視頻，群答疑
1、復合材料層合結構熱-力耦合算例（實例）
2、.基于XFEM方法的裂紋擴展模擬(實例）
3、VCCT方法入門（實例）
4、Cohesive方法入門（實例）
5、基于虛裂紋閉合技術(VCCT)的分層擴展模擬（實例）
6、基于cohesive單元的分層/界面損傷擴展模擬（實例）
7、復合材料加筋板的壓潰分析（實例）
8、復合材料加筋板剪切失效測試案例解析
9、復合材料層合板剪切失效模擬（實例）
10、顆粒增強金屬基復合材料結構建模、胞元分析技術（實例）
11、短纖維增強復合材料結構建模、胞元分析技術（實例）
12、復合材料加筋板自由振動分析(實例）
13、復合材料加筋板低速沖擊過程模擬與剩余強度計算（實例）
14、高速沖擊模擬（實例）
15、基于MATLAB與Python的參數化建模與腳本編程（實例）
16、基于接口子程序的材料彈塑性與粘彈性分析（實例）
17、復合材料損傷分析（實例）
18、復合材料仿真計算文章（SCI）案例解析
公眾號：助力科研 咨詢微信：pray5186
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關于“ABAQUS復合材料建模技術與應用”專題研修課程(十六期)的通知
一、培訓背景：
隨著現代工程技術的不斷發展，復合材料因其優異的性能特點，在航空航天、汽車、電子、體育器材等領域得到了廣泛應用。然而，復合材料的結構設計和性能分析相對復雜，需要借助專業的有限元分析軟件來進行精確的模擬和預測。
ABAQUS作為一款功能強大的有限元分析軟件，在復合材料建模和仿真方面具有顯著優勢。
展開 
abaqus復合材料、二次開發
特殊復合材料建模與分析
5.1.復合材料損傷失效行為的多尺度分析概述
5.2.顆粒增強金屬基復合材料結構建模、胞元分析技術（實例）
5.3.短纖維增強復合材料結構建模、胞元分析技術（實例）
6. 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！
展開 Abaqus 復合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
最后
建立如圖所示的平板進行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對復合材料強度的影響。
展開 復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
圖6 沖擊損傷的分析模型
(2) 基于DI判據的估算方法
基于DI判據的估算方法進行沖擊后壓縮剩余強度估算的主要步驟為：
a) 用上節所述方法確定沖擊損傷的特征損傷狀態（通常包括分層、基體裂紋和纖維斷裂）或直接用適當的無損檢測方法確定，然后用損傷數據結構(DDS)存儲損傷信息；
b) 把沖擊分層處理為具有一定厚度的子層，進行多子層的屈曲分析；
c) 利用多子層屈曲的分析結果對分層區域進行剛度折減。如果DDS內包括纖維斷裂或基體裂紋等信息，則還需要對相應損傷單元進行剛度退化處理，把損傷區處理為軟化夾雜。分層及分層區域的規定如圖7所示；
d) 利用有限元計算含軟化夾雜層壓板的應力分布；
e) 利用DI失效判據估算壓縮強度。損傷影響距離Di的含義見圖4。對含沖擊損傷的層壓板，?為計及分層沿層壓板厚度方向分布的影響系數，定義為
圖7 沖擊損傷區剖面示意圖
圖8 tdmax的計算方法
表3 ASRI和其他的剩余強度估算方法
表4 ASRI和其他方法剩余強度估算與試驗結果的比較
4.5 CDTAC軟件介紹
CDTAC（Composite Damage Tolerance Analysis Code）是一個針對復合材料結構損傷容限方面的分析軟件它是中國飛機強度研究所在含損傷層壓板剩余強度估算方法研究方面部分研究成果的幾種體現。CDTAC1.0版本的功能包括：
復合材料層壓板剛度計算機強度計算；
靜力有限元（應力/應變）計算；
沖擊作用下層壓板的瞬態響應分析；
沖擊分層損傷的估算；
含（沖擊）損傷復合材料層壓板剩余強度分析。
CDTAC是由主窗體、功能模塊及數據管理器組成的，其組織結構如圖9所示。
展開 復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
圖6 沖擊損傷的分析模型
(2) 基于DI判據的估算方法
基于DI判據的估算方法進行沖擊后壓縮剩余強度估算的主要步驟為：
a) 用上節所述方法確定沖擊損傷的特征損傷狀態（通常包括分層、基體裂紋和纖維斷裂）或直接用適當的無損檢測方法確定，然后用損傷數據結構(DDS)存儲損傷信息；
b) 把沖擊分層處理為具有一定厚度的子層，進行多子層的屈曲分析；
c) 利用多子層屈曲的分析結果對分層區域進行剛度折減。如果DDS內包括纖維斷裂或基體裂紋等信息，則還需要對相應損傷單元進行剛度退化處理，把損傷區處理為軟化夾雜。分層及分層區域的規定如圖7所示；
d) 利用有限元計算含軟化夾雜層壓板的應力分布；
e) 利用DI失效判據估算壓縮強度。損傷影響距離Di的含義見圖4。對含沖擊損傷的層壓板，?為計及分層沿層壓板厚度方向分布的影響系數，定義為
圖7 沖擊損傷區剖面示意圖
圖8 tdmax的計算方法
表3 ASRI和其他的剩余強度估算方法
表4 ASRI和其他方法剩余強度估算與試驗結果的比較
4.5 CDTAC軟件介紹
CDTAC（Composite Damage Tolerance Analysis Code）是一個針對復合材料結構損傷容限方面的分析軟件它是中國飛機強度研究所在含損傷層壓板剩余強度估算方法研究方面部分研究成果的幾種體現。CDTAC1.0版本的功能包括：
復合材料層壓板剛度計算機強度計算；
靜力有限元（應力/應變）計算；
沖擊作用下層壓板的瞬態響應分析；
沖擊分層損傷的估算；
含（沖擊）損傷復合材料層壓板剩余強度分析。
CDTAC是由主窗體、功能模塊及數據管理器組成的，其組織結構如圖9所示。
展開 Abaqus 復合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
建立如圖所示的平板進行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對復合材料強度的影響。
有Abaqus相關的問題可以聯系扣扣1653004885
展開 基于LS-DYNA的復合材料分層損傷仿真
1 引言
近年來，纖維增強復合材料因具有一系列優點而廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等各行各業之中。然而作為多相材料，其失效條件及模式往往很難確定。以復合材料層合板為例，這類結構層間性能取決于基體性能，因此層間材料性能很低，僅為纖維方向的幾十分之一。在外載荷或其它如沖擊、溫度等外部因素作用下，往往會由于層間剪應力或層間拉應力超過其強度而引起層間脫粘破壞，即分層。分層是制約這類復合材料進一步廣泛應用的主要因素，因此層合復合材料分層問題得到材料和力學界的重視。為探究ANSYS LS-DYNA在復合材料界面分層損傷方面的應用，本文利用LS-PrePost建立了雙懸臂梁（Double Cantilever Beam，DCB）模型，以cohesive單元模擬界面，進行了復合材料分層損傷的仿真分析。
2 有限元分析
幾何模型如下圖所示，通過在上、下兩個懸臂梁之間的中面層布置Cohesive內聚力單元，從而對分層擴展進行預測，本模型設置層間單元厚度為0.05；將層合板左端固支（固定全部自由度），在另一自由端施加兩個沿厚度方向且方向相反、大小相等的速度位移。為建立預制裂紋，創建有限元模型后將該處單元進行提前刪除。
a/mm
h/mm
b/mm
w/mm
v/(mm/ms)
200
10.05
50
15
1
為方便施加邊界條件，首先建立相關的節點集合，包括模型固支端的節點集合，自由端上下表面線段上的節點集合。根據不同模型的不同部位賦予單元不同的材料屬性。
展開 機織復合材料細觀損傷分析仿真
對于損傷的判斷，纖維采用Hashin準則：
樹脂采用最大應力：
仿真效果
應力：
損傷分布：
編輯
跳轉
應力應變曲線結果：
（《基于嵌入式約束的機織復合材料細觀建模與分析》）
典型民機復合材料損傷分析
復合材料是經過選擇含有一定數量比的兩種或兩種以上的組分（或組元），通過人工復合，組成多相、三維結合且各相之間有明顯界限、具有特殊性能的材料。先進復合材料以其高的比強度、比剛度、良好的抗疲勞斷裂性能。
先進復合材料首先在飛機一般結構上應用，隨后在次承力結構、主承力結構上應用。20世紀80年代起，世界各國正在研制的性能先進的飛機機翼一級部件幾乎全都采用先進復合材料，很多機身和機翼等主承力結構都使用了復合材料，且用量超過20%。而先進復合材料無損檢測技術的發展水平和應用廣度，對復合材料的研究深度和應用廣度，有著至關重要的作用。隨著復合材料在飛機上應用的不斷擴大，復合材料的設計、制造、應用、損傷檢測及修復也愈加規范。本文將從探究復合材料細觀的損傷機理出發，分析典型材料的損傷機理。民機常用復合材料性能及結構典型復合材料介紹復合材料的分類方法有多種，通常是按基體、增強體或用途的不同進行分類。復合材料設計不同于傳統材料的設計，傳統材料設計是根據項目的使用目的和性能要求，擬定材料、結構、工藝及費用等方面的計劃與估算，類似于材料選擇，而非嚴格意義上的材料設計。 高聚合物復合材料（樹脂基復合材料）。它是用量最廣的復合材料。其增強體常為纖維狀、粒狀、片狀的纖維及其織物等。該類材料因具有高強度和高模量而作為結構材料。 金屬基復合材料。金屬疊層材料有時也納入金屬基復合材料范疇，其主要應用于航空航天領域。 陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料的增強體為陶瓷、碳纖維和難熔金屬的纖維、晶須、晶片和顆粒等材料。 碳基復合材料。通常其增強體為碳纖維（織物）或碳化硅等陶瓷纖維（織物）。 普通復合材料。普通復合材料是用性能較低的增強體（如玻璃纖維）與普通高聚物（樹脂）構成的復合材料。 蜂窩結構和蜂窩復合材料。
展開 轉載，復合材料分析中Cohesive單元建模及損傷簡介
進入property界面，點擊Material→Creat，在彈出的Edit Material對話框中，可以編輯新創建的cohesive材料的名稱，然后點擊Mechanical→Elasticity→Elastic→Traction，在空格中輸入相應的剛度。
2.1.損傷準則
初始損傷準則
初始損傷對應于材料開始退化，當應力或應變滿足于定義的初始臨界損傷準則，則此時退化開始。Abaqus的Damage for traction separation laws 中包括：QuadeDamage、Maxe Damage、Quads Damage、Maxs Damage、Maxpe Damage、Maxps Damage六種初始損傷準則，其中前四種用于一般復合材料分層模擬，后兩種主要是在擴展有限元法模擬不連續體（比如crack問題）問題時使用。
圖4. 初始損傷準則定義
Edit Material對話框中，點擊Mechanical→Damage for Traction Separation Laws，然后根據自己的需要點擊相應的損傷準則。其中最常用是Quads Damage。
損傷演化規律
選擇了初始損傷準則之后，然后點擊Suboptions→Damage Evolution，窗口如圖5所示。其中Type包括Displacement和Energy，Displacement為基于位移的損傷演化規律，而Energy為基于能量的損傷演化規律。Softening中包括Linear，Exponential及Tabular三種剛度退化方式……Damage Evolution中的所有的選項都是用來確定單元達到強度極限以后的剛度降階方式。
展開 利用umat子程序實現考慮濕熱效應的復合材料漸進損傷分析
濕熱環境的作用會導致復合材料本身的力學性能變化。 試驗研究表明，單向復合材料的力學性能在一定的濕熱范圍內單調變化，另一方面，濕熱環境在復合材料結構內產生濕熱變形與應力，導致基體、纖維或界面發生變化或破壞，從而使復合材料結構的剛度和強度發生變化。
濕熱應變可由下式表示
其中，熱應變為
濕度應變為
于是
損傷萌生準則和損傷演化準則等可以參考
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1260993
通過編寫umat子程序，可以計算得到以下結果
圖 1 損傷演化(上:纖維損傷；下:纖維間損傷)和載荷位移曲線
圖 2 濕熱環境對極限載荷的影響
參考文獻：劉玉佳, 燕瑛, 何明澤, et al. 濕/熱/力耦合條件下復合材料結構漸進損傷仿真[J]. 北京航空航天大學學報, 2012(03):103-107+112.
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展開 『分享』層合復合材料沖擊損傷破壞過程研究(數值分析).
層合復合材料沖擊損傷破壞過程研究(數值分析).
層合復合材料沖擊損傷破壞過程研究(數值分析).pdf
層合復合材料沖擊損傷破壞過程研究宏觀(破壞準則).pdf
