三维编织复合材料耦合冲击有限元分析（基础设计部分）
第1章 参数化模型建立
1.1引言
精确表征细观拓扑是预测冲击响应的关键。本章基于Python-Abaqus协同建模技术，重构四步法编织纱线路径，建立包含基体（130×90×4mm³）与冲头（Φ12.7mm）的参数化模型。重点突破三点：①通过纱线路径数字化实现纤维束空间取向映射；②采用六面体单元加密纤维-基体界面网格；③基于VUMAT子程序嵌入纤维断裂、基体压溃及界面脱粘的渐进失效准则，为动态冲击模拟奠定几何与物理场基础。
1.2三维编织复合材料结构特点
三维编织复合材料，这种经过精心设计与巧妙编织的材料，采用了先进的三维编织工艺来打造。它凭借其别具一格的结构特征，在诸多行业中展现了卓越的性能和应用潜力。这些性能优势包括但不限于：比传统的二维复合材料更加坚固耐用，能够承受更大的机械应力；同时，由于其多孔结构，三维编织复合材料在隔热、吸音以及散热性能方面表现出色；此外，这种材料还具有优异的柔韧性和可加工性，使得其在航空航天、汽车制造、电子产品等领域有着广泛的应用前景。
1.2.1三维立体编织结构
纤维束交织方式：三维编织复合材料的核心结构特征在于纤维束以三维空间相互交织。不同于二维复合材料中纤维主要分布于平面层内，三维编织结构中纤维束贯穿厚度方向，在x、y、z三个方向相互交织，形成一个连续的整体网络。这种交织方式使材料在各个方向上都能承载载荷，避免了二维材料在层间方向强度和韧性差的问题。
编织结构类型：常见的三维编织结构类型有三维四向、三维五向、三维六向等[13]。三维四向编织结构中，纤维束沿四个方向排列（一个轴向和三个相互成120°的周向）；三维五向编织是在四向的基础上加入了轴向纱，提高了材料在轴向的承载能力；三维六向编织则进一步丰富了纤维束的取向，使得材料性能更加均匀，能更好地应对复杂的多向载荷 。
1.2.2优异的力学性能结构基础
各向异性与多向承载：由于纤维束在三维空间的不同取向，三维编织复合材料呈现出独特的各向异性。但相较于二维复合材料，其在多个方向上均具备较好的力学性能，能够在复杂应力状态下，如冲击、振动等载荷作用下，通过不同方向纤维束协同承载，有效分散应力，避免应力集中导致的材料过早失效，大大提高了材料结构的可靠性。
层间性能提升：传统二维层合复合材料的层间主要依靠基体连接，层间强度低，易发生分层破坏。而三维编织复合材料中，贯穿厚度方向的纤维束如同“缝合线”，将各个层面紧密连接在一起，显著增强了层间的结合力，提高了材料的层间剪切强度和层间断裂韧性，有效抑制了分层现象的发生。
1.2.3结构可设计性
纤维参数调控：通过调整编织工艺参数，可以对三维编织复合材料的结构进行灵活设计。例如，改变纤维束的类型（碳纤维、玻璃纤维等）、纤维体积分数、纤维束的直径，能够在很大程度上影响材料的密度、强度、模量等性能。增加纤维体积分数通常可以提高材料的强度和模量，但可能会降低材料的韧性；选择高性能纤维则可显著提升材料的综合性能。
编织结构定制：根据不同的应用需求，可定制不同的编织结构。在航空航天领域，对于承受复杂多向载荷的结构部件，可采用三维六向编织结构，以保证材料在各个方向上都具有良好的力学性能；在对重量和成本较为敏感的汽车工业中，可通过优化编织工艺和结构，在满足性能要求的前提下，降低材料成本和重量。
损伤容限与抗疲劳性能损伤分散：三维编织结构的复杂性使得材料在受到损伤时，裂纹的扩展路径更为曲折。纤维束的交织和相互约束作用，能够有效分散裂纹尖端的应力，阻碍裂纹的快速扩展，从而使材料具有较高的损伤容限。即使部分纤维束发生断裂，其他方向的纤维束仍能继续承载，维持材料结构的完整性。
疲劳寿命延长：在循环载荷作用下，三维编织复合材料中纤维束的多向交织和相互支撑，减少了局部应力集中，降低了疲劳裂纹萌生和扩展的概率，延长了材料的疲劳寿命，适用于对疲劳性能要求较高的长期服役结构[14]。
1.3 结构模型建立
在深入研究了三维编织复合材料的物理特性和力学性能之后，我们利用Abaqus软件这一强大工具来构建一个精确模拟冲击过程中复合材料动态响应的耦合冲击模型。模型的创建分为几个关键步骤，其中包括对基体结构的详细设计。为了确保模型的准确性，我们构建了一个长130mm、宽为90mm、高为4mm的六面体模型，这个模型被认为是整个冲击分析的基础（参见图2-1）。
图2-1基体模型
图2-2冲头模型
接着，我们进一步细化了冲击载荷下的细节，通过精确测量和计算，构建了一个半径为6.35mm的半圆冲头模型。这种冲头设计旨在模拟实际应用中常见的冲击事件，它不仅增加了模型的真实感，而且还能够更好地反映材料在受到高速冲击时可能出现的复杂变形情况（图2-2）。
通过这样细致的建模工作，我们可以确保所建模型能够准确地再现实际复合材料在遭受冲击载荷时的行为模式。
1.4纤维束模型建立
在三维编织领域，四向四步法编织（简称1×1编织）是一种广为采用的技术[15]。该方法特别适用于生产那些形状复杂、需要精密编织的预制件。具体来说，它涉及到携纱器携带编织纱线在预定路径上移动，同时在特定的位置进行织造。这样一系列重复的动作构成了预制件的编织结构。随着时间的推移，这些编织步骤不断循环进行，直至整个编织结构的形成。
在这种编织中，由于每一根纱线都是由固定的携纱器驱动，因此每个运动步骤都限定在一定范围内，即只能沿行或列的一个特定方向移动。这种限制确保编织线的运动路径是明确且精确的，从而保证了编织结构的连续性和准确性。完整的编织循环由四个特定的步骤组成：首先是起始步，随后是移动第一根纱线至第二个位置，接着是移动第二根纱线至第三个位置，最后是移动第三根纱线至第四个位置。这四个步骤交替执行，形成周期性的交错运动，为预制件提供了连续而准确的编织效果。
图2-3三维编织机模型
在四步法编织中，每根纱线由固定的携纱器进行驱动，从而限制了每个运动步骤只能只能沿着行或列的特定方向移动一步。这些步骤交替进行，形成周期性的交错运动，确保了编织的连续性和准确性。
图2-4携纱器移动示意图
根据三维四向四步法及运用PYTHON软件进行纤维束模型的建模，然后再将纤维束模型导入到ABAQUS软件中[16]。
图2-5纤维束模型
1.5有限元模型的建立与网格划分
在构建了详尽的细观结构模型之后，我们将这一模型成功地导入到了专业的有限元分析软件中。例如，选择了功能强大且广泛应用于工程计算的Abaqus软件作为我们的工具。在这个过程中，细致地对模型中的三个关键组成部分——纤维束、基体以及界面——进行了网格划分。为了精确地捕捉这些结构的细节，采用了六面体单元来对纤维束部分和基体部分进行精细的网格划分。特别值得注意的是，在纤维-基体界面这一敏感区域，为了进一步提升计算的精确性，我们实施了网格加密处理。这种方法允许我们在界面区域添加更多的节点以捕捉其复杂的形状和相互作用，从而确保仿真结果的可靠性。接下来，通过一系列严格的网格收敛性分析，我们评估了所生成网格的质量，以确定哪些尺寸的网格最能体现出模型的真实行为。这种分析不仅帮助我们避免了过度密集或稀疏的网格带来的不稳定性问题，而且还确保了最终计算得到的数据与实际情况相符。通过这样一个系统化的步骤，我们能够获得一个既精确又可靠的数值模拟结果，为进一步的材料性能研究奠定坚实的基础。
图2-6冲头网格划分
图2-7基体网格划分
图2-8纤维束网格划分
1.6有限元模型的材料属性设置
冲头的材料属性设置为质量密度为0.00236，材料分布选择为一致，弹性类型选择为各向同性，杨氏模量为200000，泊松比为0.28；基体的材料属性设置为质量密度为1.19E-09，材料分布选择为一致，非独立变量选择为依赖于解的状态变量个数为12个，用户材料类型为力学。
图2-9基体力学常数设置
图2-10纤维束力学常数设置
纤维束的材料属性设置为质量密度为1.79E-09，材料分布选择为一致，非独立变量选择为依赖于解的状态变量个数为12个，用户材料类型为力学。
1.7冲击载荷的施加与边界条件设置
在进行冲击过程的模拟研究中，采取了一种精确而又高效的方法。具体来说，使用了一个刚性球形冲头，这种冲头是为模拟冲击载荷而设计的，可以对复合材料材料单胞结构施加巨大的冲击载荷。为了确保模拟冲击结果的准确性，设定了一个关键参数：当冲头以相同的冲击速度冲击不同位置时，模型将产生相应的力学响应。
为了准确模拟复合材料结构的动态响应，设置了周期性边界条件。这意味着，无论冲击发生在模型的哪个点，其对整个结构的影响都是一致的。此外，为了防止模型的底面发生刚体 位移，对模型的底面进行了固定约束。这一步骤非常重要，因为任何刚体 位移都可能导致计算结果的不准确。通过这些细致的设计和边界条件，能够更好地理解和预测复合材料结构在受到冲击时的力学行为，从而为实际应用提供科学依据。
图2-11基体模型固定
同时对冲头进行定向约束，确保两个冲头冲击方向一致，两个冲头的边界条件设置一致。
图2-12冲头1边界条件设置
图2-13冲头2边界条件设置
在进行数值模拟的过程中，我们将分析步的时间长度设定为恒定的0.001秒。这种选择是为了确保模拟的精确性和稳定性，同时也避免了不必要的计算时间。当涉及到增量步时，我们采用自动类型，这意味着程序会根据需要调整步长，以保持系统状态的稳定。而对于稳定增量步的估计，我们决定使用全局方法，这样可以更加灵活地处理不同时间尺度上的动态变化。
在时间增量方面，我们允许最大值达到无穷大，这一点既保证了模拟的持久性，又避免了因时间限制导致的效率问题。时间缩放系数被设置为1，这个系数控制着模拟时间随空间维度变化的速率，它通过调节时空之间的相对关系来影响模拟的逼真度。为了提高模拟冲击的速度，我们还引入了质量缩放机制，通过改变物理量的质量来加快计算过程，从而缩短模拟所需的总时间。
至于体积粘性参数，我们采用了线性方法，将线性体积粘性的参数设定为0.06。而二次体积粘性则采用了更为精细的参数。这些精心挑选的参数组合不仅保证了模拟的高精度，而且还优化了计算资源的使用，使得整个模拟过程更高效。
图2-14分析步设置参数
图2-15分析步设置参数
图2-16分析步设置参数
相互作用的设置类型为通用接触，接触的区域先择全部含自身，这样可以避免在更换冲击方向时需重新设置相互作用。接触属性选择为切向行为及法向行为。切向行为摩擦公式选择罚，方向选择各向同性，摩擦系数为0.25，剪应力界限无限制，指定最大弹性滑移表面特征尺寸百分比为0.005，弹性滑动刚度为无限；法向行为压力过盈为“硬”接触。
图2-17相互作用设置
图2-18切向行为设置
