有限元復(fù)合材料模型的建模流程是怎樣的？

 復(fù)合材料大量應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)，其在汽車，航空工業(yè)的使用也對(duì)有限元模型提出新的要求。以汽車工業(yè)為例，玻璃絲增強(qiáng)塑料廣泛用于車殼制造，碳陶復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于剎車片制造。這兩種材料都屬于所謂的顆粒復(fù)合材料，微觀上是由在基材內(nèi)混入顆粒，其宏觀材料模型的模擬方式基本可以沿用經(jīng)典的方法。而另一種復(fù)合材料，層狀復(fù)合材料，由多層不同性質(zhì)的材料疊加而成，在有限元模型上更復(fù)雜。這次就來說說在有限元建模上處理的流程。　　

 層狀復(fù)合材料在建模上可以分為三種方式：基于區(qū)域的殼模型，基于層的殼模型，和基于層的實(shí)體模型。本質(zhì)上所有模型都為了模擬類似下圖中的層狀材料。

 在經(jīng)典的區(qū)域殼模型中，一個(gè)殼結(jié)構(gòu)被分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域代表一種層組合。同一層材料可以存在于多個(gè)區(qū)域，但是在不同區(qū)域的定義中，該層材料依然要被重復(fù)定義一次。這種建模方式描述的是復(fù)合材料模型最終的(在加載時(shí)）的狀態(tài)。所以這種模型的建模流程大致是。

 １、生成殼單元。　　

 ２、指定單元材料坐標(biāo)。　　

 ３、指定模型中所有用到的各層材料的宏觀材料材料模型。常見的如平面應(yīng)力各向同性材料，或者正交各向異性材料等。　　

 ４、指定模型各區(qū)域的層疊模型。每個(gè)區(qū)域有獨(dú)一的層疊組合。同一層材料可能出現(xiàn)在不同區(qū)域。各區(qū)域的模型包括該區(qū)域?qū)拥慕M合，該區(qū)域的總厚度等。　　

 ５、指定各單元所在的區(qū)域及對(duì)應(yīng)的層疊模型。　　

 ６、生成邊界條件。　　

 ７、加載求解。　　

 以上區(qū)域模型的優(yōu)點(diǎn)，是模型建成后一目了然：結(jié)構(gòu)有不同材料的各部位由不同材料模型表示。缺點(diǎn)是建模任務(wù)隨著層的增多而快速增加。有時(shí)候僅僅為了加入一層不規(guī)則形狀的材料，工程師要在模型中加入多個(gè)模型以對(duì)應(yīng)新一層產(chǎn)生的各種層疊組合。為了解決這種問題，后來有了基于層的殼模型。　　

 區(qū)域模型描述模型的最終形態(tài)，而層模型描述的復(fù)合材料的生成過程。這和復(fù)合材料的生產(chǎn)過程是對(duì)應(yīng)的。復(fù)合材料的生產(chǎn)，是通過各層材料的切割與層疊復(fù)合。而層模型的描述方式也是基于這個(gè)過程。其建模流程大致是。　　

 １、生成殼單元。　　

 ２、指定單元材料坐標(biāo)。　　

 ３、指定模型中所有用到的各層材料的宏觀材料材料模型。這前面三步和前一種方法是一樣的。　　

 ４、生成（切割）各層。各層材料的形狀對(duì)應(yīng)的工業(yè)制造中該層材料的切割形狀。前處理軟件通過這些形狀在求解器來生成不同區(qū)域的材料屬性。所以在這一步建模過程中制定的參數(shù)基本上是工業(yè)制造流程中需要指定的參數(shù)：各層的形狀，各層厚度，各層的加強(qiáng)纖維方向等。　　

 ５、把上一步生成的各層組合起來生成層疊模型。　　

 ６、對(duì)每一種層疊組合生成對(duì)應(yīng)的層疊材料。　　

 ７、制定各單元的層疊材料。　　

 ８、生成邊界條件。　　

 ９、加載求解。　　

 以上兩種都是殼模型。其區(qū)別僅在于建模過程，在求解器內(nèi)部各單元對(duì)應(yīng)的材料模型是一樣的。無論某區(qū)域的材料層疊情況如何，各區(qū)域總是由一層殼單元來描述。其在厚度方向的內(nèi)力都是通過基于彌散模型而簡化的某種殼單元來計(jì)算。為了更精確描述復(fù)合材料在厚度方向的變形，有時(shí)候我們需要實(shí)體模型。這就是基于層的實(shí)體模型。其建模過程是。　　

 １、生成實(shí)體單元，每一層復(fù)合材料由一層實(shí)體單元描述；　　

 ２、指定單元材料坐標(biāo)；

 3、指定模型中所有用到的各層材料的宏觀材料材料模型；　　

 ４、對(duì)每一種層定義對(duì)應(yīng)的實(shí)體材料；　　

 ５、制定各單元的實(shí)體材料；　　

 ６、生成邊界條件；　　

 ７、加載求解。　　

 這種實(shí)體描述更精細(xì)地對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的三維狀態(tài)。但由于各層材料普遍很薄，這種模型往往要使用大量的實(shí)體單元。所以僅適用于需要精細(xì)分析的復(fù)合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)等部位。

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