创建复合材料

使用“创建复合材料 GUI”来创建复合材料。

每个由 Helius PFA 处理的复合材料都被 ANSYS 视为用户定义的材料。“创建复合材料 GUI”为在 Abaqus 输入文件中创建这些复合材料定义提供了一种简单的方法。它允许您从复合材料数据库中选择一种材料，然后为多量程本构关系选择一些不同的选项，用于定义复合材料的热机械响应。

若要从 Abaqus/CAE 内打开“创建复合材料 GUI”，请转到主工具栏并并依次选择“插件” > “Autodesk” > “创建复合材料”。GUI 将如下图所示。

如上所示，使用“创建复合材料 GUI”为 Helius PFA 定义复合材料类型涉及多个选项。下面将介绍每一个选项。

1. 复合材料选择 - 从 Helius PFA 材料库中选择一种复合材料。如果材料库中不包含您想要在分析中使用的复合材料，必须先创建一个材料数据文件并将其添加到材料库（请参见《材料管理器用户手册》）。选择一种复合材料后，该材料的均质（或复合平均）工程常数将显示在 GUI 中。
2. 环境选择 - 如果所选材料包含适用于多个环境（结合温度和湿度）的材料特性，应选择您想要在分析过程中使用的环境。选择环境后，适用于该环境的材料特性将显示在 GUI 中。
3. 单位制 - 应选择用于计算本构关系和应力的单位制。默认情况下，Helius PFA 使用 (N/m/K) 单位制来表示本构关系和计算应力。如果使用其他单位制创建有限元模型，Helius PFA 必须将其本构计算转换为该模型需要的单位制。为此，Helius PFA 包含了四种常用单位制的转换因子：N/m/K、N/mm/K、lb/in/R 和 lb/ft/R。如果有限元模型使用其中一种单位制，则必须从下拉列表中选择适当的单位制。如果下拉列表中未显示模型的单位制，应选择默认单位制 N/m/K；有关如何使用 HIN 文件定义一套自定义单位的详细信息，请参见 HIN 文件。
4. 主材料坐标系 - Helius PFA 使用复合材料的主材料坐标系来表示本构关系和计算应力。在这里，您可以为复合材料的主材料坐标系从两三种可能的方向中选择一个方向。

   对于单向微观结构：默认主材料坐标系使用与纤维方向一致的“1”方向进行定向，而“2”和“3”方向位于横向各向同性的材料平面中。主材料坐标系的此默认方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“1”。但是，如果要方便或简化模型创建过程，您可以更改主材料坐标系的取向，以便“2”方向与纤维方向对齐，而“1”和“3”方向位于位于横向各向同性的复合材料平面。主材料坐标系的此特定方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“2”。如果您从下拉列表中选择值“2”，变换后的特性将显示在 GUI 中。

   对于织物微观结构：默认主材料坐标系使用与填充牵引方向一致的“1”方向进行定向，而“2”方向与扭曲牵引方向一致，“3”方向与平面外方向一致。主材料坐标系的此默认方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“1”。但是，如果要方便或简化模型创建过程，您可以更改主材料坐标系的取向，以便“2”方向与填充牵引方向对齐，而“1”方向对应于扭曲牵引方向。主材料坐标系的此特定方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“2”。此外，您可以更改主材料坐标系的取向，以便“3”方向与填充牵引方向对齐，而“2”方向对应于扭曲牵引方向。。主材料坐标系的此特定方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“3”。

5. 损坏萌生准则选择 - 选择您想对所选材料使用的失效准则。所选的准则仅表示失效萌生，而非损坏进展。对于单向复选材料，可用选项有：
   • 用户（请参见《安装和操作手册》）
   • MCT（默认）
   • 最大应力
   • 最大应变
   • Tsai-Hil
   • Tsai-Wu
   • Christensen
   • Hashin
   • Puck
   • LaRC02
   对于织物复选材料，可用选项有：

   • 用户（请参见《Helius PFA 用户子例程手册》）
   • MCT（默认）
   • 最大应力
   • 最大应变

   请参见《理论手册》以了解有关每个准则的技术信息。

   如果所选的准则具有必须提供的其他参数，“参数”按钮将可用。单击此按钮，将打开一个新窗口，您可以定义所选准则需要的参数。必须为每个准则定义的参数有：

   • MCT
     • 压力引起的强度增强（仅单向复合材料）- 存在静水压缩应力时，选择是否考虑实验中出现的复合材料强化。如果选中此框，Helius PFA 将监视基体成分中的静水压缩应力级别。如果基体成分中的静水压缩应力级别超出了阈值，将根据基体成分中的静水压缩应力级别，放大基体成分和纤维成分的强度。有关复合材料的“静水强化”功能的详细信息，请参见附录 A 和《理论手册》。Abaqus/Explicit 分析中的材料不支持此功能。

     • 失效前非线性 - 选择是否考虑通常出现在纤维增强复合材料中的非线性纵向剪切应力/应变响应。如果选中此框，Helius PFA 将采用纵向剪切应力/应变响应（即， 与 以及 和 ）的四分段（单向）或七分段（织物）线性表示法，而其他四个应力和应变组件的响应不会受到此功能的影响。复合材料的纵向剪切模量中整个系列的离散缩减通过分段线性纵向剪切响应与复合材料的实验测量纵向剪切数据紧密匹配执行。

       应当强调的是，此功能仅适用于在 MCT 材料特征化过程中提供了纵向剪切应力/应变曲线的复合材料。如果为特征化过程中无纵向剪切应力/应变曲线的复合材料请求该功能，Helius PFA 会在运行时发出错误消息，执行将停止。有关失效前非线性功能的详细信息，请参见此《用户手册》的附录 A、《理论手册》和样例问题 2。有关使用“失效前非线性”功能特征化新复合材料的详细信息，请参见《材质料管理器用户手册》。Abaqus/Explicit 分析中的材料不支持此功能。

   • Tsai WU
     • f* - 交叉积项。此值的范围必须是：0.5 ≤ f* ≤ 0.0，且仅当 σ_biax 为零时使用。
     • σ_biax - 失效时的等双轴应力。如果未知，此值可以保留为 0。
   • Hashin
     • α - 指定纵向剪切对纤维失效准则所做的贡献量。此值的范围必须是：0.0 ≤ α ≤ 1.0。
6. 损坏演变方法选择 - 选择该方法用于计算损坏演变（刚度缩减）。有三个可用选项：
   • 即时 - 如果选择了此方法，Helius PFA 将定期评估所选损坏萌生准则的失效索引，以确定纤维或基体（适用于 MCT）或层（剩余失效准则）是否已失效。如果预测到失效，将即时适当缩减失效成分和/或复合材料的刚度。应当强调的是，刚度的即时缩减将有效导致对成分和复合材料的不连续分段线性应力/应变响应。但是，当在大的有限元模型中每个积分点处单独应用此类型的离散材料响应时，最终结果是复合结构的总体刚度逐渐（或渐进式）降级（因此而得名渐进式失效分析。
   • 基于能量的 -（仅单向复合材料和 MCT 失效准则）如果选择了此方法，那么在发生失效事件后，Helius PFA 将采用复合材料刚度的分段线性降级，但保留您提供的总能量。该类型的失效事件（即纤维失效或基体失效）确定哪些复合材料刚度会随着应变的增加而线性缩减。在这种情况下，成分失效准则假定只标识失效事件的开始。随着层的变形持续增大，复合材料的刚度将受到一些列的缩减，直到最终达到其最低级别为止，即成分完全失效。请务必注意，在微观和宏观之间会强制执行一组一致的材料特性，以允许复合材料特性在基体成分失效后随基体一起降级。例如，基体失效事件会导致复合材料 、、、 和 的线性降级，同时也会使基体 、、、、 和 降级。但是，纤维失效事件会导致复合材料 、 和 的线性降级，但成分不会再降级，因为成分中的应力和应变不再有用。有关基于能量的降级及其对分析的影响的详细信息，请参见附录 A 和《理论手册》。
   • 无 - 此选项将取消激活任何形式的损坏演变，而且产品将对整个分析使用线性弹性本构关系。换句话说，单元刚度将永远不会缩减，即使通过损坏萌生准则预测到了失效。
如果所选方法具有必须提供的其他参数，“参数”按钮将可用。单击此按钮将打开一个新窗口，允许您定义所选方法需要的参数。必须为每个方法定义的参数有：
• 即时
  • 计算失效织物特性 - 选择此选项将强制 Helius PFA 使用 GUI 中指定的基体和纤维退化级别来计算失效织物特性。如果未选择此选项，那么当使用 Composite Material Manager 创建材料数据文件时，将使用计算的失效材料特性。例如，当（使用 Composite Material Manager）创建材料时，如果基体退化值为 0.7，纤维退化值为 0.015，并且未选择此选项，则使用与这两种退化值相对应的失效材料特性。另一方面，如果选择了此选项，并且您在 GUI 中将基体退化和纤维退化的值分别指定为 0.8 和 0.001，则使用与此二值相对应的失效材料特性。
  • 基体失效后刚度 - 此值是用于定义发生基体成分失效后基体成分的损坏弹性模量的分数。具体而言，该值是失效的基体成分模量与未失效的基体成分模量之间的比率。如果值为 0.1，则表示在某个积分点处发生基体失效后，六个基体成分模量（、、、、 和 ）都将缩减到原始未损坏基体成分模量的 10%。基体失效后刚度值必须大于 0，且小于或等于 1。
  • 纤维失效后刚度 - 此值是用于定义发生纤维成分失效后纤维成分的损坏弹性模量的分数。具体而言，该值是失效的纤维成分模量与未失效的纤维成分模量之间的比率。如果值为 0.01，则表明在某个积分点处发生纤维失效后，所有六个纤维成分模量（、、、、、）都将减少到原始未损坏纤维成分模量的 1%。纤维失效后刚度值必须大于 0 且小于或等于 1。
• 基于能量
  • 基体能量 - 此值是发生失效事件后基体失效假定复合材料刚度线性降级前后消散的总能量。具体而言，在发生基体失效事件后，复合材料 、、、 和 将根据此能量、纤维失效时复合材料的应力状态和单元体积进行降级。有关计算能量值的详细信息，请参见附录 A 和《理论手册》。
  • 纤维能量 - 此值是发生纤维失效事件后纤维失效假定复合材料刚度线性降级前后消散的总能量。具体而言，在发生纤维失效事件后，复合材料 、 和 将根据此能量、纤维失效时复合材料的应力状态和单元体积线性降级。有关计算能量值的详细信息，请参见附录 A 和《理论手册》。
  • 平均单元厚度 - 此值表示平均厚度的三维图元指定给材质，其中测量厚度厚度方向上的层。对于二维单元（即壳、平面应力），此值应设置为 1.0
7. 输出成分平均应力和应变状态 - 选择是否将纤维平均应力和应变字段以及基体平均应力和应变字段输出到输出数据库文件（.odb 文件）。对于单向复合材料，如果选中此框，MCT 状态变量输出到 .odb 文件的数量将从 7 增加到 35（如果请求了基于能量的降级，则从 11 增加到 35）。对于织物复合材料，如果选中此框，MCT 状态变量输出到 .odb 文件的数量将从 7 增加到 91。打印这些额外的状态变量会稍稍增加总运行时间，但会显著增加 .odb 文件的大小。因此，只有在成分平均应力和应变状态受关注时，才应当选择此选项。
8. 显式分析 - 选择此材料是否将用于 Abaqus/Explicit 分析。选择此选项将创建适用于 *DEPVAR 定义的带有正确编号的材料，如果提供了材料的密度（必须在使用 Composite Material Manager 创建材料时就已提供），还将创建 *DENSITY 定义。

在完成上述选择后，单击 GUI 上的“确定”按钮，即可创建与 Helius PFA 兼容的用户定义的复合材料。单击“确定”按钮后，将在 Abaqus/CAE 中创建新的材料，相应的 Abaqus 关键字语句也将添加到模型。