三維機織復合材料建模的案例
體素思想—三維機織（2.5D）復合材料參數化網格技術
但是由于TexGen名氣實在太大，很多人比較認可，我們決定也基于體素思想，寫一版三維機織復合材料建模軟件。</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202512/attachment/a4b4d9b46dc648e5abd437c2972ce7b0.png" style="display: inline-block;">
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展開 手搓TexGen—三維機織（2.5D）復合材料參數化網格生成技術
我們可以把前面談到的參數化網格生成技術用到三維機織復合材料上，想做什么結構的網格就做什么結構的網格，還是網格質量更好的六面體。
三維機織復合材料參數化生成網格技術
看過前面文章的朋友應該知道，我們對于機織材料做網格，是直接跳過CAD模型這一步的。
直接根據幾何特點做網格，而不是先有CAD幾何。當然，這需要了解網格的構造原理。ABAQUS的六面體網格，只要知道構造網格的8個節點和排序規律，就可以用一行字符創建出網格。
類比到修真世界，就是口訣（代碼）+符咒（字符串）+陣法（數據排布）。
機織復合材料看似復雜、幾何參數多。但是由于周期性排布的特點，總能找到一個代表性單元。只要把握住這個代表性單元，就完成了一般的工作。
只要是經緯排布的紗線，我們總可以找到這樣一個基礎紗線軌跡（紅色線）：
然后用這個基礎軌跡，作對稱、平移等等，得到更大尺寸和更多數量的結構：
再之后就是將紗線截面沿著軌跡掃掠，邊掃掠，邊得到網格：
同時，根據軌跡生成材料局部坐標系：
三維機織復合材料參數化網格生成軟件
我們將上述方法集成到軟件中，就得到了快速創建網格的軟件：
纖維軌跡c
纖維網格
樹脂網格
效果
彎聯結構
直聯結構
嵌入式約束將樹脂和纖維耦合
展開 手搓TexGen—機織復合材料參數化建模技術
我研究生的小方向就是立體織物復合材料。盡管剛畢業改換到CFD領域的工作，但是我仍然對一個東西充滿執念。
那就是通過代碼參數化生成織物復合材料的細觀模型，就像英國諾丁漢大學的TexGen那樣。
盡管那時候代碼水平還比較基礎，但就是這個執念讓我不斷研究在數值仿真中網格到底應該如何表達，幾何如何轉換為網格，有了網格應該如何渲染，如何把復雜的織造參數和網格構建聯系起來。
限于自身當時的技術能力，利用業余時間，我在一年后才勉強實現了一個簡單平面機織的的胞元網格，并且可以導入到ABAQUS中使用。但是代碼運行效率很低，更復雜截面和更大尺度無法實現。
因為各種原因，這個工作就此擱置了。
直到前幾年，我導師請我幫忙編一個機織材料的性能預測軟件。我自覺編程和計算機圖形水平提升不少，決定把前面的工作撿起來。
需求牽引，先把最難的參數化建模搞定。
軌跡參數化建模與力學性能預測
用代碼做參數化建模最難的在哪呢？
首先是要建立好紗線之間的接觸關系，因為這是幾何的約束條件。這個約束條件，涉及到經緯紗的截面形狀、尺寸、紗線間距。最終得到的基礎軌跡線見下圖的紅線，這個基礎軌跡線十分重要，通過旋轉、平移就可以獲的更大的尺寸和數量。
如果一切都是參數，那么經紗跨過緯紗的個數、穿越的層數都是參數化的，這就要求基礎軌跡線的數學表達非常合理且高效。
第二難點，接截面隨軌跡的變化。我們假定截面時時刻刻垂直于當地的軌跡，那就像水管那樣，隨形而動。
實際上，到了這一步，基礎的建模問題就接近解決了。
最后一個難點是三維渲染。最不可小視的就是它，而且這一個應該最先做。
展開 機織復合材料細觀損傷分析仿真
機織復合材料
猶記得研究生面試，老師問我知不知道你導師是研究什么方向的。
這題我有準備，遂答：先進復合材料。先進這個詞我還刻意加重了語氣。
其實當時來說，先進在哪我是一概不知。本文就以機織復合材料為題，看看先進復合材料力學性能的常用研究方法。
目前工業上用的最多的一種復合材料結構是層合板。它像千層底布鞋那樣，由很多層纖維布堆疊而成。每一層的纖維絲都有一個特定的角度，通過調整這個角度，可以讓層合板在我們需要的方向上提供最優的力學性能。
這一點與各個方向力學性能都一致的金屬材料差別很大，也是復合材料區別于傳統材料最明顯的一點。也就是說，復合材料這個特點，讓材料的結構設計有了更多的選擇。
層合板結構
正所謂：成也蕭何敗蕭何。層層相貼的特點，讓層合板一直飽受分層的困擾。
為此發展出z向穿刺、縫合等技術，目的就是讓層和層連起來。
目前最先進的當屬三維紡織復合材料。不同于層合板的纖維布堆疊結構，三維紡織復合材料通過紡織工藝，像織毛衣那樣，直接用纖維束織出我們需要的結構形狀。
這樣做的優點是，可以克服層合板內層與層之間容易脫粘分離的缺點，真正實現每個纖維的“物盡其用”。這種結構需要依靠高難度的設計技術、紡織工藝和成型工藝，因此目前僅在少量的高端部件上有所應用。
來源：http://structures.dhu.edu.cn/_s288/f3/92/c14173a193426/page.psp
比如當前最先進的LEAP航空發動機葉片，就是采用了三維紡織復合材料進行制造。
來源：https://www.sohu.com/a/160320905_732047
機織材料作為紡織復合材料的一種，由于其制造相對簡單，目前應用較多。
展開 
機織復合材料紗線方向賦予 ￥18
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<p><span style="font-family:'宋體';font-size:12.0pt;white-space:pre-wrap;">機織復合材料方向</span><span style="font-family:'宋體';font-size:12.0pt;white-space:pre-wrap;">賦予</span></p>
<p class="a a3"><span class="a a3">1. </span><span class="a a3" style="font-size:12.0pt;white-space:pre-wrap;">分段賦予方向</span></p>
<p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202303/126e50d847f22ed0c77d0cb14f66beb1.png" style="width:415.3pt;height:184.55pt;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/msimage/202303/126e50d847f22ed0c77d0cb14f66beb1.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/msimage/202303/126e50d847f22ed0c77d0cb14f66beb1.png?
展開 手搓TexGen—機織蜂窩復合材料網格生成器
上一期提到，最近解決了纖維軌跡到三維網格生成技術。
熟悉我們號的朋友應該也發現了，如果說“靜界有限元”有什么特色的話，那一定是圍繞工程問題，具有系統性的解決方案和配套技術。我們在仿真、試驗的同時，長期致力于各種配套軟件工具的開發，做一個東西對應開發一套軟件，讓其他人也能用。
很多事的根源，都要追溯到開頭。開頭是怎么開的，很大程度會影響一個人的后續職業生涯。人如此，事業也是如此。北宋始于黃袍加身，整個大宋朝一直到滅亡都防著武將。大明以滅元立國，后又天子守國門，就是防著游牧民族。
扯遠了。我讀研究生的時候第一個項目就是寫織物力學性能分析軟件，工作以后搞氣動、參加試飛，寫了翼型結冰、試飛數據處理、冰風洞試驗數據處理、圖片曲線數據提取、UG翼型自動建模等等各種軟件和工具。一直到現在幾乎專門從事工業軟件開發。
把力學、建模、前后處理、數據采集與分析等各類技術軟件化、工具化，已經是我個人的科研風格了。不能用、不實用的虛幻研究熱點和縫合怪課題，即便能做也寧可不做。
所謂科研的品味，就是你自己喜歡怎么做事情。比如有人擅用電鏡，還自感發了一堆CNS十分的牛逼。有人喜歡所有東西AI化，用商業軟件算點東西，再加點AI佐料，自感十分前衛。有人喜歡熱點，納米火的時候他搞納米，石墨烯火的時候他搞石墨烯。
這就沒辦法，他品味就是那個樣子。人間正道是滄桑，好路走起來難。
又扯遠了。關于手搓TexGen這個問題也是一樣。我們把機織蜂窩復合材料自動生成網格這個技術也軟件化。
纖維材料方向的處理
我們知道纖維束是橫觀各向同性的，橫觀各向同性只是聽起來像各向同性，它實質上還是個各向異性，需要根據其走向給單元賦材料方向。
由于我們事先建立了纖維軌跡的理論模型，三維網格也是通過截面貫穿軌跡得到的。
展開 ANSYS纖維混凝土 三維隨機纖維 鋼纖維 纖維復合材料建模
首先采用CAD隨機三維纖維插件進行纖維及基體材料的幾何模型構建，插件可指定數目、直徑、長度、角度的三維分布的圓柱體纖維，插件嚴格控制纖維之間不發生干涉，同時插件會在CAD內生成與圓柱體纖維相適配的帶有空洞的長方體基體。
設置好參數運行CAD隨機三維纖維插件，生成所需要的三維纖維幾何模型，模型建立完成后，需要另存為.sat文件，以備ANSYS導入。
打開ANSYS Workbench，新建一個分析，在Geometry上右鍵，選擇導入剛才保存的.sat纖維模型文件：
模型是包括圓柱體纖維、帶孔的長方體基體兩部分。纖維及長方體基體均為實體。
生成后就可以進行網格劃分、模擬分析等操作了。
建模所用到的插件：
CAD_隨機三維纖維插件
展開 分享諾丁漢大學復合材料三維編織結構建模工具包（附說明書及參考文獻）
給大家分享一個諾丁漢大學編寫的三維編織復合材料建模工具包，附件有文獻和使用說明。程序時公開的，但是使用時記得在參考文獻中注明其出處哦。
以下是程序界面，軟件名稱TexGen,軟件生成的編制結構可導入幾大有限元軟件，效果還不錯。
程序界面
文件過大，可通過以下鏈接下載：
鏈接：http://pan.baidu.com/s/1gfwSeg7 密碼：ie9r
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ANSYS混凝土三維隨機骨料 混凝土細觀 隨機球體 顆粒增強復合材料建模
為了方便快捷的構建出混凝土細觀幾何模型，這里提出另一種建模方案，通過AutoCAD模型導入的方式，實現無編程構建混凝土隨機骨料。
模型構建
1、CAD模型生成
首先采用CAD隨機球體顆粒插件在AutoCAD內構建三維球體幾何模型：
插件可指定生成隨機分布的不相交的球體顆粒，同時生成與球體顆粒裝配的帶有孔洞的長方體基體。同時對顆粒的粒徑大小、比例等都能進行控制。
將生成的三維球體幾何模型導出為.sat格式文件備用。
2、ANSYS Workbench 導入
打開ANSYS Workbench，在幾何內進行導入預先保存的.sat文件：
后續進行網格劃分等操作，在ANSYS Workbench內進行即可：
插件下載
建模用到的CAD插件下載：
CAD隨機球體顆粒插件
展開 Abaqus纖維復合材料蜂窩板落錘沖擊仿真模型
內插0厚度cohesive單元以模擬分層
模擬過程采用puck子程序，有錄制整個建模操作視頻，可贈送復合材料層合板快速建模插件及蜂窩建模插件!
cae ￥20
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Abaqus纖維復合材料蜂窩板落錘沖擊仿真模型!
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內插0厚度cohesive單元以模擬分層
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模擬過程采用puck子程序，有錄制整個建模操作視頻，可贈送復合材料層合板快速建模插件及蜂窩建模插件!
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cae,inp文件及ODB文件，操作視頻(注意：并未含puck子程序，僅作學習參考)
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展開 WoundSim2020復合材料神器，能聯合abaqus完成各種復合材料的建模仿真 ￥599
就像WCM插件一樣，生成的Abaqus模型可以直接運行，其中包括：
圖層幾何和分區
清潔儲層網格生成
變換后的材料特性
根據垃圾箱分配的部分
模擬以驗證所有要求的儲層需求：
靜態和動態爆破壓力
熱膨脹
動態跌落測試和影響
循環和疲勞評估
ABAQUS結果
WoundSIM具有先進的材料特性，可以進行先進的后處理和復合材料層故障預測。
預編譯的用戶子例程可訪問高級輸出，例如
繞組角度，纖維和基體應力和應變，損傷參數和復合材料襯板界面損傷。
WoundSIM到Abaqus的界面提供了許多無縫的后處理功能，例如專用的路徑繪制和輪廓繪制工具，就像WCM插件中包含的那樣。
參數COPV建模
WoundSIM提供了高級工程功能和集成算法，從而為復合材料仿真設計人員和模擬工程師提供了多種功能。
下面列出了其中一些功能：
參數化設計能力
實驗設計
批處理
儲層幾何靈活性研究
與其他軟件插件的相關性
高級模型關聯
后處理高級圖像處理
展開 
Abaqus復合材料殼單元建模—姊妹篇1：常規建模step-by-step
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。
展開 RTM工藝與三維編織復合材料制造技術
根據編織過程中攜紗器的運動軌跡特點，將預成形件劃分為三個不同的區域，分別定義了不同的控制體積單元，識別了編織結構參數之間的關系，同時給出三維編織復合材料的設計方法，三維編織示意圖見圖4。
馮偉和馬文鎖將編織物中連續的紗線離散開來并用特殊的點符號表達，用點群和空間群分析現有編織材料幾何結構，一方面可以合理地對現有編織材料幾何結構進行描述和分類；另一方面也可以將該理論用于推導編織材料幾何結構新的和更為有效的編織方法。張美忠等由于編織復合材料實際結構的復雜性，為了使研究結果更真實，用現有成熟的有限元軟件仿真三維編織復合材料，并研究其各項力學性能已成為一種趨勢。
Pandey等通過CAD建模技術來描述三維編織復合材料的代表性單元體，生動而準確地再現了復合材料的內部復雜結構。Sun等提出了數字單元法，并用該方法模擬了三維矩形編織結構的編制過程，以確切的知道三維編織復合材料內部每根紗線的路徑和預成型體的微觀結構。借助VC++及SolidWorks軟件的參數化圖形建模特點，建立了能模擬各種編織參數預制體孔隙實體，計算孔隙體積及其表面積的軟件系統。
力學行為的理論研究
三維編織復合材料的力學模型是以上述細觀結構的幾何模型為基礎的。20世紀80年代至今，代表性的工作有Ma和Yang等的彈性應變能法、Yang和Ma等的纖維傾斜模型、吳德隆和郝兆平的三細胞模型、陳利的偏軸模型和鄭錫濤的正軸模型。90年代后期，梁軍等應用Eshelby和Mori-Tanaka理論對三維編織復合材料進行了細觀力學分析，然后與剛度平均化方法相結合，對含圓幣型基體微裂紋的三維編織復合材料彈性常數進行了理論預報。
展開 Abaqus復合材料殼單元建模—姊妹篇2：layup快捷建模step-by-step
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。
上一篇已經講解了最基本的常規建模方法，本篇將繼續介紹采用Composite layup實現快速建模，兩篇有明顯差異的地方用紅色字體進行了標注，以利于區分。同樣先介紹復合材料殼單元模型快速建模方式。
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。
展開 三維復合材料CT試樣裂紋擴展模擬 ￥20
該材料是碳/環氧復合材料。復材鋪層為（08,908）S
圖2 模型尺寸
該模型分為3個分區，分別代表3組層板：08、9016和08。層間的失效未建模。
關于X-FEM：
X-FEM可以與兩種方法結合使用：
-內聚區模型（基于X-FEM的內聚行為）
-虛擬裂紋閉合技術（基于X-FEM的LEFM方法）
在本教程中，將使用以上兩種方法。基于X-FEM的內聚行為適合于對延性材料的破壞進行模擬（90°層中的基體破壞），而基于LEFM方法的X-FEM適合于對脆性材料的破壞進行模擬（0°層中的纖維破壞）。
2.初始裂紋位置
3.基于材料cohesive行為的XFEM定義（90°層中的基體破壞、延性）
定義屬性：
材料屬性賦予部件（是中間的3個cell）
定義方向：
定義XFEM（中間三個cell）
3.基于線彈性斷裂力學的XFEM定義（0°層中的纖維破壞、脆性）
定義XFEM（前面三個cell）定義XFEM（后面三個cell）
4.控制輸出
5. 修改常規解決方案控件以改善收斂行為
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