Abaqus在飛機(jī)復(fù)合材料中的應(yīng)用

2016-11-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

復(fù)合材料有許多特性:

·制造工藝簡單

·比強(qiáng)度高,比剛度大

·具有靈活的可設(shè)計(jì)性

·耐腐蝕,對(duì)疲勞不敏感

·熱穩(wěn)定性能、高溫性能好

由于復(fù)合材料的上述優(yōu)點(diǎn),在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域,都有廣泛的應(yīng)用。在下一代飛機(jī)設(shè)計(jì)中,復(fù)合材料的大量應(yīng)用對(duì)分析技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。例如在某客機(jī)各種材料的使用狀況,其中復(fù)合材料的比例約為50%。

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借助于多層殼、實(shí)體殼及實(shí)體單元可以建立復(fù)雜的復(fù)合材料模型,這些單元允許疊加各向同性或各向異性材料層,材料方向允許變化。Abaqus提供的失效準(zhǔn)則有最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則、最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則和Tsai—Wu失效準(zhǔn)則等,用戶也可以通過用戶子程序來定義自己的失效準(zhǔn)則。Abaqus的復(fù)合材料功能特別適合于大量應(yīng)用復(fù)合材料的新型飛行器。

Abaqus/CAE中復(fù)合材料的建模技術(shù)

在Abaqus/CAE中,有專門的復(fù)合材料設(shè)計(jì)模塊plyup。應(yīng)用該模塊可對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)。對(duì)于每一個(gè)鋪層,可以選擇鋪層應(yīng)用的區(qū)域、使用的材料、鋪層的鋪設(shè)角度、厚度等。對(duì)于鋪層較多的結(jié)構(gòu)件,Abaqus/CAE提供了很方便的檢查手段,可顯示鋪層沿厚度方向?qū)⒚恳粚臃蛛x展示,一目了然,這也是數(shù)字化設(shè)計(jì)的一大優(yōu)點(diǎn)。

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后處理模塊中,可以顯示每一個(gè)鋪層厚度方向上的應(yīng)力、位移、損傷云圖,也可以顯示復(fù)合材料厚度方向上變量的變化曲線。

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復(fù)合材料建模模塊(CMA)

通常情況下,在進(jìn)行仿真分析中,復(fù)合材料鋪層都是按照理想設(shè)計(jì)進(jìn)行分析的。而在復(fù)合材料實(shí)際的加工制造過程中,纖維鋪層不可避免地會(huì)發(fā)生折疊、交錯(cuò),因此纖維的方向以及鋪層的厚度都會(huì)發(fā)生變化。如果再按照理想設(shè)計(jì)的復(fù)合材料鋪層去進(jìn)行分析計(jì)算,就得不到真實(shí)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

Composite Modeler for Abaqus/CAE(CMA)確保在建模初始階段就能考慮鋪層的工藝性能,確保復(fù)合材料鋪層在工藝上的可行性。這樣避免了日后在研發(fā)周期上由于重新設(shè)計(jì)而增加的成本。此模塊還可以生成制造數(shù)據(jù)以確保最終的零件與分析模型相符。

CMA補(bǔ)充和擴(kuò)展了Abaqus/CAE強(qiáng)大的復(fù)合材料仿真能力,并與Abaqus/CAE完美的融合在了一起。此外,憑借其與其他環(huán)節(jié)的直接融合能力,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)企業(yè)設(shè)計(jì)與制造的緊密聯(lián)系。

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目前,由CMA得到的空間中不斷變化的纖維方向和鋪層厚度可直接提供給非線性隱式算法和顯式求解器,實(shí)現(xiàn)真實(shí)地仿真計(jì)算。因而在每個(gè)單元產(chǎn)生鋪層角度,真實(shí)反應(yīng)了仿真和實(shí)際纖維結(jié)構(gòu),這些功能確保計(jì)算中可達(dá)到前所未有的真實(shí)性。

如下圖所示,對(duì)于彎曲的幾何結(jié)構(gòu),當(dāng)某些單向帶/織物存在覆蓋情況時(shí)

需要考慮局部的纖維方向,計(jì)劃的坐標(biāo)系統(tǒng)可能無法正確地考慮彎曲幾何結(jié)構(gòu)。要確保提議的將要制造的鋪層具有實(shí)際可生產(chǎn)性(平坦模式預(yù)測(cè))。

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另外,CMA使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)和制造完美的結(jié)合在一起。使用CMA,可以將Abaqus/CAE創(chuàng)建的模型可以直接倒入到CATIA V5中進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),也可以將CATIA CPD中設(shè)計(jì)的復(fù)合材料模型以及鋪層導(dǎo)入到Abaqus/CAE中。通過精確的模型轉(zhuǎn)換,可快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的反復(fù),從而提高整個(gè)研制過程的效率。

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復(fù)合材料失效問題

材料失效涉及到由材料剛度漸進(jìn)退化導(dǎo)致的失去承載能力。用損傷力學(xué)模擬剛度退化,使用平面應(yīng)力單元模擬,并考慮四種不同的失效模式,纖維拉伸開裂,纖維屈曲和壓縮失效,基體拉伸和剪切開裂,基體拉伸和剪切碾壓。

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復(fù)合材料的損傷模型主要是Hashin`s損傷模型,可以包括纖維的壓縮和拉伸失效、基體的壓縮和拉伸失效。應(yīng)用Hashin’s損傷模型可以模擬不可見的沖擊損傷 (BVID),從而可以預(yù)測(cè)受沖擊后結(jié)構(gòu)的殘余損失以及沖擊力的大小。

Abaqus中的復(fù)合材料失效準(zhǔn)則主要有:

·MSTRS 最大應(yīng)力理論失效準(zhǔn)則

·TSAIH Tsai-Hill理論失效準(zhǔn)則

·TSAIW Tsai-Wu理論失效準(zhǔn)則

·AZZIT Azzi-Tsai-Hill理論失效準(zhǔn)則

·MSTRIN 最大應(yīng)變理論失效準(zhǔn)則

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復(fù)合材料碰撞破壞模塊CZone

沖擊時(shí)吸收能量的可壓碎結(jié)構(gòu)被用于:汽車、直升機(jī)、飛機(jī)、火車及其它運(yùn)輸工具當(dāng)中,這種能量吸收結(jié)構(gòu)能保護(hù)內(nèi)部人員或者貨物受沖擊時(shí)免于受傷與強(qiáng)烈震動(dòng)。相比于沉重的采用金屬的設(shè)計(jì),復(fù)合材料由于具有能提供輕質(zhì)可修復(fù)結(jié)構(gòu)吸收能量的能力,因而具有很大潛力。

目前沒有商業(yè)方法能精確模擬或者預(yù)測(cè)這種結(jié)構(gòu)的壓碎特性。這些結(jié)構(gòu)的模擬仿真將考慮到具有效益的發(fā)展和這種可壓碎復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),以達(dá)到需要的性能參數(shù)。精確模擬復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓碎特性具有挑戰(zhàn)性,一般來說這種壓碎響應(yīng)不能由傳統(tǒng)的失效機(jī)理來描述。很難準(zhǔn)確地用該過程中涉及到的單一某個(gè)失效機(jī)理來描述。Abaqus的CZone技術(shù)可以進(jìn)行符合結(jié)構(gòu)的壓碎響應(yīng)。這些仿真考慮到這種可壓碎復(fù)合結(jié)構(gòu)的有效發(fā)展以達(dá)到需要的性能參數(shù)。

Abaqus的CZone(CZA)是Abaqus/Explicit的一個(gè)拓展,它將CZone技術(shù)與Abaqus/Explicit強(qiáng)大的沖擊建模功能相結(jié)合。對(duì)受沖擊結(jié)構(gòu)的前緣的擠壓區(qū)域,CZA提供直接的基于擠壓的單元失效分析。

CZone技術(shù)通過下面兩種方式融入Abaqus/Explicit當(dāng)中:

·壓碎材料定義,描述材料的壓碎響應(yīng);

·CZone聯(lián)系定義,對(duì)擠壓區(qū)域內(nèi)由于屈曲、剪切等引起的局部載荷進(jìn)行建模;

典型的Abaqus的CZone分析的目標(biāo):確定吸收了多少能量;峰值加速度;平均加速度;多少材料完全壓碎;識(shí)別遭受其他破壞形式的區(qū)域;了解損傷的進(jìn)程。

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Cohesive技術(shù)

采用cohesive單元技術(shù)或基于cohesive的接觸技術(shù),同樣可以來模擬復(fù)合材料的分層破壞以及膠結(jié)接頭的連接。

使用牽引-分離接觸行為來模擬粘性連接,是一種十分簡單易用的方法。該方法的功能和使用粘單元模擬牽引-分離本構(gòu)行為的功能基本類似。然而,該方法不需要定義單元,并且粘性表面可以隨著粘性接觸面的產(chǎn)生隨時(shí)進(jìn)行綁定。該方法初衷是用來模擬可以將接觸面的厚度忽略掉的情況。分析時(shí)必須將其定義成表面交互的性質(zhì),而對(duì)于粘性表面來說,損傷是一種交互性質(zhì),而不是材料性質(zhì)。粘性表面的運(yùn)動(dòng)學(xué)與粘單元的不同,默認(rèn)會(huì)自動(dòng)計(jì)算粘性接觸面的初始剛度。

Cohesive單元的應(yīng)力應(yīng)變行為見下圖,稱為牽引-分離模式(Traction- Separation)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段代表Cohesive單元的線彈性行為,應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段代表Cohesive單元的剛度衰減及失效過程。Cohesive單元的初始損傷基于應(yīng)力或應(yīng)變判據(jù),而損傷擴(kuò)展判據(jù)有兩種,一種基于能量,另一種基于位移。

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虛擬裂紋閉合技術(shù)(VCCT)

用于Abaqus技術(shù)的VCCT是由Composite Affordability Initiative (CAI)中的Boeing Commercial Aircraft Group發(fā)展起來的。VCCT是波音的技術(shù)專利,在其內(nèi)部已經(jīng)應(yīng)用與復(fù)合材料的分析長達(dá)數(shù)十年之久。而Abaqus將VCCT這種技術(shù)內(nèi)嵌于Abaqus/standard中,用于有效地分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的斷裂和分層問題。

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VCCT基于線彈性斷裂力學(xué)的原理,通過計(jì)算不同形式裂紋尖端的能量釋放率,與復(fù)合材料層間開裂的臨界能量釋放率相比較,來計(jì)算層間裂紋的擴(kuò)展。其具有的優(yōu)勢(shì)為:VCCT完全與Abaqus中現(xiàn)有的單元、材料以及求解功能兼容,只需定義裂紋存在的界面,而無需定義裂紋擴(kuò)展的方向。

使用VCCT可用用于確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的承載極限以及類似的典型航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效模式。

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Abaqus中復(fù)合材料其他分析功能

復(fù)合材料熱固化成形

復(fù)合材料熱固化的過程,可以認(rèn)為是復(fù)合材料預(yù)浸料經(jīng)歷一系列溫度變化的熱固耦合過程。典型的溫度變化過程為:由室溫升溫30分鐘到185℃,保持1個(gè)小時(shí),繼續(xù)升溫到195℃,保持2個(gè)小時(shí),然后降溫到70℃以下。整個(gè)過程可以采用熱固耦合分析,由于基體材料和纖維增強(qiáng)材料的熱膨脹系數(shù)不一樣,一系列的溫度變化導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生,致使結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲變形。

下圖表示的是采用Abaqus中的熱固耦合功能分析某復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在熱固化后結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。

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