摘要：复合材料在材料工业中占有举足轻重的地位。力学和热学行为是它们在成型过程中以及在不同工业领域的生命周期中的重要知识。

        在将复合片材成型为所需形状（吹塑成型、热成型等）时，考虑了不同的工业过程。通常，这些过程中的变形非常快、不均匀、多轴，并且发生在高于玻璃化转变点的温度下。这种现象的建模仍然很微妙，并且由于涉及接触、大变形以及非线性本构定律（超弹性、粘弹性等）的实施而造成了一些困难。

    目前的工作总结了 Abaqus 对复合材料（短纤维和长纤维）的热成型建模的能力。Composite Modeler 插件的介绍展示了一种定义与长纤维复合材料模型相关的不同铺层和偏移的稳健方法。它还显示了模拟实时悬垂和产生的剪切应力的强大能力。Micromechanics Plugin 为子尺度建模提供了一个很好的工具，以便使用 FE-RVE（代表性体积元素的有限元模型）方法模拟纤维-基体相互作用，并生成均质材料参数。

使用 Isight 和 Abaqus 进行材料参数校准的演示说明了如何将这两种工具结合在一起，以解决与新材料或非线性定律相关的经典识别问题。Tosca structure Bead 的优化能力通过基于自然频率的优化展现出来，并使用 Fe-safe 执行疲劳分析并显示疲劳寿命等值线。

关键词：复合材料、热成型、FE-RVE、超弹性、均质化、珠粒优化、材料校准、疲劳。

一、简介

        设计复合材料部件需要对材料特性以及工作限制和环境有严格的了解。在成型过程中对复合材料的机械和热行为进行建模被证明是有用的，甚至对于提高最终产品的质量至关重要。

        对复合材料的成型进行建模需要考虑各种非线性因素。这些过程通常包括大变形、复合板材与模具之间的接触，还有通常包括超弹性或粘弹性的非线性材料模型。事实证明，考虑所有或其中一些非线性具有挑战性。

        本论文总结了 Abaqus 作为主要对热成型过程建模的工具的能力，同时考虑了与之相关的所有非线性，即材料、接触和大变形。使用 Composite Modeler 插件呈现长纤维复合材料的悬垂模拟。该工具允许在悬垂过程中检测高剪切区域。

2. 使用 Abaqus 对层压复合材料进行热成型模拟

        通常，复合材料行业在达到大规模生产阶段之前需要进行大量的实验测试，这通常既昂贵又苛刻。在推出新产品或改进现有产品时，总是面临同样的挑战。因此，数值模拟成为改进成形工艺的首选工具。然而，数值模拟需要对使用过的复合材料的力学行为有很好的理解。

   在热成型过程中，复合材料在成型前被加热到玻璃化转变温度和熔化温度之间的温度。 这一过程的性质导致了各种问题，如板材撕裂、厚度分布不均匀、板材在与冷模具接触时瞬间冷却等。介绍热成型过程中涉及的真实物理现象，如 作为起皱、失效、材料本构法则、不同组件之间的接触，这些被证明是具有挑战性的，但需要对过程进行更真实的模拟。本节介绍编织碳-PPS 复合片材的热成型。

                                      图 1. 热成型工艺的组成部分

图 1 显示了用于长连续纤维碳-PPS 复合板材热成型模拟的模型组件。圆片厚度为 1 毫米，直径为 500 毫米。复合叠层由三层组成，方向为 -45、0 和 +45o。将 300 N 的预载荷施加到片材支架作为压紧力。以 1 m/s 的应变速率对冲头施加 255 mm 的位移。热成型温度设置为 320 oC。材料的属性如表 1 所示。

                                    表1. 碳-PPS复合材料的材料特性

        片材和热成型工具（冲头、片材支架和模具）之间的接触使用一般接触进行建模，其他接触技术和算法也进行了研究，但未在本文中介绍。复合片材使用缩减集成壳单元（S4R 和 S3R）进行网格划分，网格在有效热成型区域进行细化以获得更好的结果。使用 8 个 CPU 使用 Abaqus (Abaqus/Explicit) 的显式求解器执行模拟，模拟在 146.2 秒 CPU 时间后收敛。

                                            图 2. 第一层的对数应变 (-45°)

图 2 显示了复合板材的变形云图，与中线方向相比，对角线方向的应变更为显着，这对于对角线取向的复合材料来说是典型的。

                                      图 3 复合片材过度减薄引起的起皱区

        皱纹的存在如图 3 所示，皱纹取决于层间的初始方向。复合板的厚度分布如图 4 所示。该参数对于薄复合结构的成型过程非常重要，可以防止过度拉伸或失效。具有最小厚度的区域与大应变区域重合。

                                                      图4. 厚度分布云图

工程师在长纤维复合材料成型过程中寻求的一个主要参数是材料取向。图 5 说明了执行热成型过程后两层的材料方向。远离成形区，不同层的取向保持不变，而成形区的层取向受到明显影响。这些有价值的信息对于提高复合材料最终产品的质量是必不可少的。

                                图 5. 材料取向：(a) 层取向为 -45°，(b) 层取向为 0°

3. 使用 Composite Modeler 的铺层定义和悬垂模拟

        在长纤维复合材料建模过程中遇到的挑战之一是根据不同的铺层方向和材料定义定义不同的叠层。适用于 Abaqus/CAE 的 Composites Modeler 是一个附加产品，允许创建、定义和操作铺层和叠层。Composites Modeler 允许用户定义准确的纤维角度和铺层厚度。它可以帮助用户查看和快速修改复合模型，以通过实时模拟悬垂、属性生成和映射来迭代改进设计。

层代表一块增强织物，它是在制造过程中从片材上切下并放置在模具上的。层的完整特征在于其构成的片材、覆盖的区域以及应用到表面的方式。制造过程对于未开发的表面尤为重要，因为在这些表面上有无数种方法可以将织物放置在表面上。

        Composites Modeler 包括全面的纤维模拟，可有效预测组件的制造。对于双曲面，有无数种方法可以用增强材料覆盖表面。铺层的应用方式对铺层的可生产性和由此产生的纤维取向产生影响。图 6 显示了半球壳上复合材料叠层的悬垂模拟。经纱和纬纱纤维按织物中的剪切程度进行颜色编码，其中红色 区域显示高于最大剪切应变，而蓝色 区域显示可接受的剪切量。

                                             图 6. 悬垂模拟

        为了减少剪切量，用户可以使用不同的技术来控制边界、分割、悬垂顺序、种子曲线等。这些选项允许用户甚至在运行任何压力之前提高最终产品的质量 分析。图 7 说明了有和没有分裂的悬垂模拟，也显示了剪切区的改进。

图 7. 悬垂模拟和使用分裂改进剪切应变

        定义的复合材料叠层可以轻松导出到 Abaqus/CAE 以执行任何类型的分析（应力、热、耦合热应力等）。铺层被定义为部分，可以在 Abaqus/CAE 中轻松操作。

4. 微观力学与平均场均匀化

         复合材料是高度异质的材料，即使使用线性材料模型建模，纤维与基体之间的相互作用在建模和仿真方面也被证明具有挑战性，尤其是在考虑各种非线性的成形过程中。

        多尺度建模提供了一种有效的替代方法来预测基于微观结构影响的复合材料行为 (Wu, Noels, Adam, & Doghri, n.d.)。可以提取宏观属性以提供更真实的材料均匀响应，该方法的示意图如图 8 所示。因此，材料微观结构的代表性体积元素 (FE-RVE) 的有限元模型 可用于预测纤维和基体之间的局部应力/应变场。这种方法更现实，不受平均场均质化中使用的假设的约束。弹性和热膨胀等属性可以直接从 RVE 获得并外推到更大的尺度。

                                              图 8. 微观力学方法

           RVE 是足够大以产生聚合复合响应的复合体。FE-RVE基于远场解加载；局部解场是从有限元中获得的。Abaqus/CAE 的 FE-RVE 插件允许用户创建微观结构并提取复合材料的均质特性。然后可以使用这些均质化的材料特性来运行更大规模的模拟。图 9 显示了长纤维复合材料 RVE 的 Von Mises 等值线图。

                                图 9. RVE 中的 Von Mises 应力云图

5. 使用 Isight 校准超弹性材料参数

        在成型过程中，即注塑成型、热成型等，通常使用高度非线性的材料行为定律（超弹性、粘弹性等）来描述复合材料。这些定律中嵌入的材料常数通常可以使用不同的优化技术来确定，以最大限度地减少实验数据与理论响应之间的差异。

       然而，Levenberg-Marquardt  或 Powell 迭代算法 (Fletcher, 1987) 等优化算法的实施被证明是一项乏味的任务。

        Abaqus/CAE 允许通过使用选定的应变能势自动创建响应曲线来评估超弹性和粘弹性材料行为。然而，用户无法控制优化算法。

                            图 10. Isight 材料校准工作流程

    Isight 通过非常直接的方法在材料模型校准方面提供了一个很好的选择。 软件中提供了大量优化算法库。 Isight 的使用在识别问题中表现出极大的效率，即使是高度非线性的超弹性材料模型。 在图 10 所示的示例中，Isight 在循环中与 Abaqus 耦合，以最大限度地减少单轴拉伸橡胶样品的实验数据和三阶 Ogden 超弹性材料模型之间的误差。标定结果如图11所示，将Isight结果与Abaqus识别结果进行对比，以显示准确度的顺序。

               图 11. 实验数据与橡胶的三阶 Ogden 超弹性材料模型

6. 使用 Tosca 结构的复合薄结构的筋优化

        薄复合材料结构通常具有较低的刚度，这会显着影响它们在不同环境和结构条件下的性能。筋形貌的引入增加了这些结构的刚度和特征频率。优化提供了最佳的筋布局，以改善复合壳结构的静态和动态特性。Tosca 结构在非参数优化方面提供了强大的功能，包括拓扑、形状、尺寸和微珠优化，包括各种非线性。考虑到不同的制造限制，例如几何限制、对称性、脱模控制等。

图 12. 油底壳中的胎圈图案介绍(a)：原始油底壳设计，(b)：优化后的油底壳设计

        在图 12 所示的示例中，使用 Tosca 结构执行了形貌优化，以增加油底壳中第一模式的特征频率值。使用 Abaqus/CAE 进行模态频率分析以提取第一个设计的第一模态特征频率，该值为 342.90 Hz。复合材料属性是使用 FE-RVE 插件生成的（图 9）。在设计中引入磁珠将此特征频率增加到 638.87 Hz。比较结果如图 13 所示。

 图 13. 油底壳固有频率分析结果，(a)：原始油底壳设计，(b)：优化油底壳设计

7. 使用 Fe-safe 对复合结构进行疲劳分析

        当考虑可能影响控制机制的参数的数量和种类时，复合材料的疲劳是一个巨大的挑战。现场载荷的性质通常包含复杂的载荷场景，包括残余应力、循环疲劳应力、热应力等。考虑载荷场景对于更准确地预测现实生活中的零件行为是必要的。

        Fe-safe 是一种基于多轴应变的疲劳软件，提供广泛的耐久性评估和故障预防功能。作为一个强大而全面的工具，Fe-safe 允许对金属、橡胶、复合材料等的疲劳进行建模和模拟。已使用 Fe-safe 研究了图 13 中所示的模式 1 应力下的疲劳寿命。

                           图 14. 使用模式 1 应力对油底壳进行疲劳评估

图 14 中所示的疲劳轮廓允许分析第一个油底壳设计的耐久性。疲劳寿命也突出显示在云图中。

结论

本研究的主要目的是对 Abaqus 模拟复合材料的能力进行总体评估。重点是对长纤维复合材料进行热成型模拟。