Abaqus复合材料层合板仿真

碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）因其卓越的比强度、比模量特点、优异的耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、军工等领域。层合板结构作为纤维增强复合材料的主要形态，在工业应用中普遍存在因制造过程中的偶然因素导致的内部缺陷、损伤问题，从而极大降低了结构的强度和刚度。本文旨在探讨 Abaqus 软件在复合材料层合板损伤行为与低周疲劳损伤演化分析中应用的详细步骤和理论基础，集中展现其在复合材料层合板结构设计与验证中的强大功能。

1. Abaqus 的建模工具

Abaqus 作为一种高级有限元分析软件，提供了复合材料层合板结构建模的高效工具。通过 `composite layup` 组件，用户可以构建复杂的复合材料层合板模型，包括传统壳、连续壳、实体单元模型。这些模型依据层合板的厚度、几何特征以及所需分析的精度差异而选择。传统壳单元适用于薄壳结构，计算效率高且精度较大；连续壳单元则介于传统壳模型和实体壳模型之间，适用于涉及接触分析的复杂模型，其计算精度通常高于传统壳模型；对于长截面与厚度比小的层合板结构，实体单元是模拟损伤和疲劳的理想选择。

2. 损伤和失效的仿真分析




在层合板结构的模拟分析中，损伤行为主要是面内失效（最大应力/应变准则、TsaiWu 准则等）和层间失效等问题。其中，最大应力和最大应变准则虽简明易懂，但忽略了多种失效模式间的耦合作用。TsaiHill 准则在考虑拉压强度差异的同时，未能明确区分失效类型。相比之下，Hashin 准则在Abaqus中被用于描述损伤变量，有效折减了复合材料层合板中的相关性能参数。具体失效模式如：

纤维拉伸断裂：于应力 s11 ≥ 0。


纤维压缩断裂：于应力 s11 ≤ 0。


基体拉伸失效：于应力 s22 ≥ 0。


基体压缩失效：于应力 s22 ≤ 0。

此外，Abaqus 支持使用扩展有限元法（XFEM）、虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和内聚力单元法（CZM）来模拟与分析层间失效。其中，XCZM模型能够描述分层从萌发到扩展的过程，是流行的应用模型。最常用的内聚力模型包括双线性、指数和多线性模型等。

3. 低周疲劳损伤演化分析

针对复合材料的低周疲劳层合板扩展行为，Abaqus 采用 Paris 准则配合虚拟裂纹闭合技术（VCCT）进行分析。该方法基于线弹性断裂力学原理，建立泛化准则，通过比较裂纹尖端的最大能量释放率与裂纹扩展临界应变能释放率的差值，判断裂纹是否启动和扩展。巴黎方法通过最小化能量释放率来预测裂纹的萌生和扩展速率，考虑循环载荷周期内能量的变化，实现对有限元模拟中层合板的疲劳分析。