Digimat复合材料建模平台与Abaqus的联合使用

320科技工作室 2021年8月7日浏览：3563 评论：4 收藏：36

复合材料以优异的性能被广泛应用于航空航天、高速铁路、新能源等领域，然而随着应用领域越来越广，结构也更为复杂，给复合材料结构力学分析带来了巨大的挑战。尤其是在工程应用中的强度失效及断裂问题的发生，常是发生在微米量级上。传统板、壳等在宏观尺度上的理论分析方法已很难满足实际需要。因此，借助于计算机进行复合材料的小尺度分析是解决这一问题的关键。

Digimat复合材料建模平台与Abaqus的联合使用的图1

复合材料的小尺度分析的核心步骤有以下两点：小尺度（微米、纳米量级）上的有限元模型的建立与细观力学强度失效理论。本课程主要通过Digimat建立的细观力学模型作为ABAQUS软件的前处理输入模型，在ABAQUS实现求解计算及后处理处理，以实现对跨尺度下的复合材料进行分析。

Digimat复合材料建模平台与Abaqus的联合使用的图2

微尺度、中尺度和宏观尺度模拟的维度

而关于细观力学强度失效理论，现阶段是考虑三个部分进行处理，分别是基体相、界面相（一般用0厚度的cohesive单元）、增强相（纤维、颗粒）。由于此块内容是复合材料细观分析的重点，故会在后续做一期专题系列课程，在这里简单做一些我对这方面工作的理解与认识。对于基体相的强度失效处理是通过vumat或者Abaqus自带的损伤本构（brittle damage、ductile damage以及shear damage）去实现单元失效删除，以模拟出裂纹在基体中扩展的效果，一般情况下考虑基体的塑性损伤比较多。对于界面相的强度失效处理是在界面相与增强相嵌入0厚度的cohesive单元模拟界面脱粘裂纹，也有部分学者会考虑有厚度的界面相，而有厚度的界面相的强度失效处理是与基体相的处理相同。而对于增强相来说，一般情况下我们不考虑其强度失效，因为在实际工程应用或者科学实验中，很少观察到增强相的开裂，大多数失效形式是界面脱粘及基体开裂。

Digimat复合材料建模平台与Abaqus的联合使用的图3

Digimat复合材料建模平台与Abaqus的联合使用的图4

基体裂纹相互连接形成完整的断口、初始界面脱胶

言归正传，下面简单介绍一下Digimat软件：

Digimat是复合材料多尺度建模与仿真软件，能够对复合材料进行微观和宏观分析，预测其表现并计算其机械、热及电气特性。DIGIMAT共由六个模块组成，它们之间的数据可以相互传递，同时也可以方便地将计算结果及前处理模型导入到通用有限元软件(ABAQUS、ANSYS、MARC、LS-DYNA)中进行深入分析。六个模块依次为：

1.DIGIMAT-MF

DIGIMAT-MF是通过均匀化方法快速准确地预测复合材料的非线性行为。这一模块基于单胞理论，即将复合材料划分至最小单元，分别定义基体、增强体等材料的结构性能以及增强体含量，结合相关材料模型（如Drucker-prager模型等）计算复合材料机械性能等。

2.DIGIMAT-FE

DIGIMAT-FE是通过代表性单元体（RVE）法准确地预测复合材料的局部或整体非线性行为。基于此模块，可以创建复杂的材料3D微观尺度模型，并赋予结构性能以及相关载荷，结合商用有限元软件ABAQUS等可精确实现基于细观层次的复合材料及其各组分在外界载荷下的相应历程。

3.DIGIMAT-MX

DIGIMAT-MX是为材料供应商和终端用户之间提供DIGIMAT材料模型的准备、存储、提取和安全交换。用户可以充分利用此模型查询材料常数，进行逆向工程，即由已知的复合材料模型反求基体或者是增强体的性能。

4.DIGIMAT TO CAE

DIGIMAT TO CAE是通过非线性多尺度模拟手段精确地预测复合材料结构的性能。此模块为满足客户多样化的需求，可实现有限元软件与DIGIMAT的无缝衔接，使结果更为精确。

5.DIGIMAT-MAP

DIGIMAT-MAP为模流分析和结构分析提供高效的映射功能，实现不同网格数据信息的交互。基于此模块，用户可以精确地将模流分析结果（如纤维取向、温度等信息）传递到通用有限元模型中，提高有限元分析准确性。

6.DIGIMAT-MICROSS

DIGIMAT-MICROSS通过微机械材料模型，快速而高效地实现蜂窝夹芯结构的设计。此模块专为蜂窝结构而设计，可以满足风机叶片、机翼等夹芯结构的快速设计。