基于Vumat子程序的复合材料压缩冲击破坏预测

       复合材料由于具有较高的比强度、比模量和可设计性，在航空航天等领域一直都备受关注。随着大量专家学者投入研究，其刚度、强度的预测已有了较为完善的理论。利用这些理论，通过在子程序中构建本构方程，可实现在ABAQUS等有限元软件中得到与实验结果较为接近的仿真结果。同样的，耐压缩冲击性能也是实际工程应用中经常需要考虑的一个性能，但由于复合材料压缩的破坏形式较为复杂，且对于壁板结构，压缩过程中又涉及到了稳定性问题，所以对其进行有效的预测具有较大的难度。

       本期，我们就讲讲如何在ABAQUS中基于Vumat子程序来实现对复合材料在压缩冲击载荷作用下，有效地预测其破坏模式。

1. 方法概述—“两步走”

       对于本文案例类似的结构，其在压缩冲击载荷作用下的破坏模式预测大致可分为两大步，即稳定性分析和破坏模式预测。

       1. 首先，我们需要建立一个屈曲分析步，引入扰动，在Model-edit keyword中添加相关关键字，并输出节点位移文件。

       2. 然后，复制模型，修改分析步类型及边界条件，并在Vumat子程序中构建材料本构，引入失效准则，利用ABAQUS显式运算的方法，不停迭代产生损伤后的刚度矩阵，直至结构发生破坏。同样的，在此步骤中也需要对关键字进行编辑。

       由于压缩冲击的破坏模式多种多样，若需模拟某些特定的损伤模式，可在子程序中进行单元删除的定义。

2. 案例

       本文以碳纤维增强复合材料薄壁方管为例，利用Vumat子程序预测其在沿轴长方向的压缩冲击载荷作用下的破坏模式。

2.1 问题描述

       试验件由[0°/90°]的碳纤维布采用RTM工艺固化成型。实验时，试验件放置在试验机底座上，上压头以1m/s的速度对试验件进行压缩冲击，其有限元模型如图1所示。

                                                            图1 碳纤维薄壁方管加载示意图

2.2 结果展示

       在本案例中，研究了试件和压头间摩擦效应的影响及试件壁厚的影响。

       在摩擦系数分别为0.1、0.15、0.2的情况下，可得到碳纤维薄壁方管的破坏模式如图2所示，位移载荷曲线如图3所示。可看出，摩擦系数的增加并没有太大地影响其破坏模式。

                                              图2 不同摩擦系数下碳纤维薄壁方管破坏模式预测

                                                 图3 不同摩擦系数下碳纤维薄壁方管位移载荷曲线

       当碳纤维薄壁方管的铺层厚度分别为3层、5层、9层时，可得到如图4所示的破坏模式和图5所示的位移载荷曲线。不难看出，铺层厚度是一个影响碳纤维薄壁方管破坏模式的重要因素。

                                            图4 不同铺层厚度下碳纤维薄壁方管破坏模式预测

                                               图5 不同铺层厚度下碳纤维薄壁方管位移载荷曲线

3. 后记

       当然，本文介绍的方法同样适用于其他类似结构、类似材料的压缩冲击破坏预测，仅需在Vumat子程序中调整相应参数即可。

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参考文献：

Sokolinsky VS, Indermuehle KC, Hurtado JA. Numerical simulation of the crushing process of a corrugated composite plate. Compos A Appl Sci Manuf 2011;42(9):1119–26.