基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件2.0

复合材料研究是目前一个较为热门的方向,复合材料主要分为:①纤维增强复合材料②夹层复合材料③颗粒复合材料④混杂复合材料;对于纤维增强复合材料来说,又分为连续增强复合材料、短纤维增强复合材料。短纤维增强复合材料,其优点在于比强度高、比模量大、可设计性高、耐腐蚀、抗疲劳等,因此成为近年来的研究热门。

有限元仿真是研究材料力学性能的重要手段,而仿真的第一步即为模型的建立。由于短纤维增强复合材料的有限元模型需要考虑随机的纤维分布,如果纤维束数量较多,则手动在abaqus中直接建模工作量会过于繁重,因此本文介绍了一种基于abaqus的建模插件,可以成功快速实现随机纤维增强复合材料拉伸试样模型的建立。


一、新增功能

争对此对随机纤维增强复合材料拉伸试样进行插件建模,在前一版本中,主要基于下面的标准试样进行短纤维模型的建立。

基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件2.0的图1

插件版本1.0

但是实际中,不同研究人员所用拉伸试样尺寸可能不一致,为解决这一问题,发布了复合材料拉伸试样插件2.0版本了,在该版的插件中,我们将拉伸试样的尺寸考虑在内,将试样尺寸变成为用户自定义的参数。

基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件2.0的图2

插件版本2.0


二、纤维生成算法

此插件核心之一在于如何生成不相交的纤维,因此选择选用解析几何方法对随机生成的纤维是否与已经生成的纤维进行相交判断不相交的判断算法如下,首先生成的纤维可以看做空间线段,当每条线段之间的最短距离均大于纤维直径时,此时纤维的位置视为均不相交,由此进行判断纤维是否相交

核心之二在于,如何保证纤维的体积含量,由于随机生成的纤维需要切割,切割后纤维的体积含量很难计算,如果一次生成所有纤维在切割,容易导致体积含量过大或者过小,无法保证;本插件采用迭代算法逼近,即先根据体积含量计算出初始纤维体积,再经历一道切割之后,计算切割后纤维体积距离设定的体积分数还差几个纤维,进行第二次迭代……以此类推直到切割后的纤维体积距离设定体积分数小于一个纤维体积时,整个迭代结束,以此确保纤维的体积精确。

与此同时,当设定的参数不合理时,可能导致迭代的过程无法收敛,如在纤维体积含量过大时会出现纤维难以生成导致一直死循环,所以再本插件中,设置了最大的迭代次数上线,当超过这个最大次数时,即使体积未达到,整个生成过程也将中止,以此保证脚本的收敛。


三、插件界面及参数介绍

基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件2.0的图3

插件界面

本插件的参数主要分为两大部分,拉伸试样的尺寸,以及纤维的尺寸。拉伸试样的尺寸中主要定义了长度方向上的三个尺寸,宽度方向上的两个尺寸及厚度方向上一个尺寸;纤维尺寸中,定义了纤维长度、纤维直径纤维的体积分数,以及用于控制脚本收敛的迭代次数。


插件的测试效果

测试1:

本次测试标准拉伸试样,纤维长度5,直径1,体积分数0.1;生成结果如下:

基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件2.0的图4

整体模型

基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件2.0的图5

纤维模型


该参数下,该插件生成该模型共用时6min,经历了20次迭代,生成的模型中纤维体积471.26mm3,模型总体积4800.46mm3,纤维占比0.0982,与设计值0.1的误差值仅1.8%。误差极小,用时高效。


测试2:

测试不同的拉伸试样尺寸,纤维长度5,纤维直径1,纤维体积含量5%,生成结果如下:

基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件2.0的图6

整体模型

基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件2.0的图7

纤维模型

由于该模型生成的纤维数量较少,所以该模型共计用时20s,迭代7次。生成的纤维体积66.24mm3,模型总体积1401.1mm3,纤维体积占比4.72%,与设计5%之间误差仅5.4%

如有需要,欢迎通过公众号联系我们.

公众号:320科技工作室


拉伸试样abaqus复合材料随机纤维建模插件复合材料
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