一種針對玻纖增強材料并基于abaqus和moldflow聯(lián)合仿真的結(jié)構(gòu)分析方法與流程

本發(fā)明涉及針對玻纖增強材料的結(jié)構(gòu)分析方法，具體為一種針對玻纖增強材料并基于abaqus和moldflow聯(lián)合仿真的結(jié)構(gòu)分析方法。

背景技術(shù)：

當前，研究纖維增強復合材料已經(jīng)成為國際上重視的技術(shù)問題，在軍用方面：飛機、火箭、人造衛(wèi)星、艦艇、等軍事裝備都逐漸形成百分百復合材料制造；在民用方面：復合材料在運輸工具、建筑結(jié)構(gòu)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。纖維復合材料根據(jù)構(gòu)造形式分為：單層復合材料、層疊復合材料、短纖維復合材料。短纖維復合材料其主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車行業(yè)，可用于結(jié)構(gòu)零件的制造；也可以用于飛行器內(nèi)部非結(jié)構(gòu)件的制造；纖維賦予制品良好的熱力學性能，短纖維復合材料也適用于制造靠近熱源的器件。另外在電氣電子和家用器具方面也應(yīng)用廣泛。

不同復合材料有不同的制造方法，注塑成型是短纖維復合材料一種重要加工方法。在注塑成型過程中，纖維隨著基體一起在模具型腔中流動，使短纖維在不同的位置產(chǎn)生不同的取向，從而使成型后的材料和制品中的不同位置呈現(xiàn)不同的微觀結(jié)構(gòu)。在成型過程中，熔體溫度、注射壓力、模具型腔形狀和加工工藝參數(shù)都會對纖維的最終狀態(tài)產(chǎn)生影響。除此之外，也可以通過組分材料的選擇和匹配獲得具有不同微觀結(jié)構(gòu)及力學性能的復合材料。為了將短玻纖增強材料更好的應(yīng)用到生活中，對于短玻纖增強材料力學性能的研究就顯得日益重要?，F(xiàn)今對于短纖維增強制品的主要研究方法主要分為以下三種方法：(1)短纖維增強制品一般通過注塑成型，Moldflow對注塑過程中基體的流動過程及其產(chǎn)生結(jié)果進行了比較全面考慮，所以在Moldflow中就可以進行填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向等各方面分析。(2)聯(lián)合Abaqus和Mlodflow兩種軟件進行模流分析和結(jié)構(gòu)分析。因為注塑制品的結(jié)構(gòu)分析并不能依靠一般注塑CAE進行，還需要其他優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)分析軟件，Abaqus早已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)公認的功能最強的通用優(yōu)秀有限元，abaqus有直接和moldflow的接口，所以可以直接通過聯(lián)合Abaqus和Mlodflow兩種軟件進行模流分析和結(jié)構(gòu)分析，也成為預測和驗證對短纖維增強復合材料力學性能的有效手段。(3)聯(lián)合Abaqus、digimat和Mlodflow三種軟件進行模流分析和結(jié)構(gòu)分析。首先應(yīng)用Moldflow獲得纖維在結(jié)構(gòu)中分布情況以及方向信息；然后應(yīng)用Digimat實現(xiàn)纖維方向數(shù)據(jù)的映射；最后應(yīng)用Abaqus進行結(jié)構(gòu)的有限元分析。然而目前的三種方法又存在一些問題：對于第一種方法，由于Moldflow不是專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析軟件，所以通過Moldflow只能針對簡單模型進行一些簡單的結(jié)構(gòu)分析，有時并不能得到研究人員想要的分析結(jié)果；對于第二種方法，聯(lián)合Abaqus和Mlodflow兩種軟件進行模流分析和結(jié)構(gòu)分析，雖然相較第一種方法，可以對復雜結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，然而應(yīng)用這種方法需要abaqus和moldflow軟件版本的完全匹配，這樣對于使用者的硬件要求較為苛刻，并且這種映射方法對于分析模型的網(wǎng)格有嚴格的要求，靈活性不高；對于第三種方法借助第三方軟件digimat，因為引入了三方軟件使計算方法變得復雜并且耗費更多的資金，并且這種方法是根據(jù)材料包含的兩相推測出來的材料本構(gòu)映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，實際工藝制作的材料的力學性能與預測的結(jié)果并不一致，將預測的結(jié)果帶入到結(jié)構(gòu)中進行結(jié)構(gòu)分析并不準確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種針對玻纖增強材料并基于abaqus和moldflow聯(lián)合仿真的結(jié)構(gòu)分析方法，該方法將在流模軟件moldflow計算得到的纖維分布情況以及方向信息通過運行腳本文件直接導入到abaqus的網(wǎng)格信息中。為了提高計算效率，只要保持與流模分析時的幾何模型一致，研究人員可以根據(jù)自己的需求利用幾何模型重新劃分網(wǎng)格，映射完纖維方向后研究人員可以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)賦材料屬性，研究人員也可以通過編寫子程序賦材料屬性。在abaqus中完成模型邊界條件施加，和場變量，時間輸出的定義后就可以提交Job進行計算。此種方法聯(lián)合了abaqus和moldflow兩種軟件進行模流分析和結(jié)構(gòu)分析，可以適用復雜模型和復雜工況。相較之前的聯(lián)合方法，此種方法更加靈活，它可以不借助第三方軟件，適用流模分析的網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格不一致情況的同時，還可以滿足研究人員對材料自定義的要求。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

所述一種針對玻纖增強材料并基于abaqus和moldflow聯(lián)合仿真的結(jié)構(gòu)分析方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：將含有玻纖增強材料結(jié)構(gòu)的幾何模型導入moldflow軟件中進行流模分析，得到纖維在玻纖增強材料結(jié)構(gòu)中的分布情況，并通過abaqus軟件和moldflow軟件的接口將所述分布情況導出為abaqus軟件可識別的文件；所述分布情況包括玻纖增強材料結(jié)構(gòu)中所有單元的節(jié)點信息和單元信息以及單元體積大??；

步驟2：在abaqus軟件中按照結(jié)構(gòu)分析的要求對含有玻纖增強材料結(jié)構(gòu)的幾何模型重新劃分網(wǎng)格，并導出重新劃分的網(wǎng)格信息；所述重新劃分的網(wǎng)格信息包括重新劃分網(wǎng)格中所有單元的節(jié)點信息和單元信息以及單元體積大?。?/p>

步驟3：在abaqus軟件中對步驟2重新劃分的網(wǎng)格B與步驟1進行流模分析的網(wǎng)格A進行信息匹配：所述信息匹配過稱為：從網(wǎng)格A的第一個單元開始，和網(wǎng)格B的每個單元進行匹配分析，匹配標準是判斷兩個進行匹配的單元形心坐標距離是否小于設(shè)定閾值；根據(jù)匹配結(jié)果，將網(wǎng)格A中單元的纖維方向信息賦給網(wǎng)格B中匹配的單元；

步驟4：對經(jīng)過步驟3處理后的網(wǎng)格B在abaqus中進行結(jié)構(gòu)分析。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種針對玻纖增強材料并基于abaqus和moldflow聯(lián)合仿真的結(jié)構(gòu)分析方法，其特征在于：步驟3中，在abaqus軟件中通過批量操作方法，對步驟2中重新劃分的網(wǎng)格B與步驟1中進行流模分析的網(wǎng)格A進行信息匹配。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種針對玻纖增強材料并基于abaqus和moldflow聯(lián)合仿真的結(jié)構(gòu)分析方法，其特征在于：步驟3中，根據(jù)匹配結(jié)果，將網(wǎng)格A中單元的纖維方向信息賦給網(wǎng)格B中匹配的單元過程中，若網(wǎng)格A中的一個單元匹配網(wǎng)格B中的多個單元，則將網(wǎng)格A中單元的纖維方向信息賦給網(wǎng)格B中匹配的多個單元，若網(wǎng)格A中多個單元匹配網(wǎng)格B中的一個單元，則根據(jù)體積加權(quán)平均方法對網(wǎng)格A中多個單元的纖維方向信息進行計算后賦予網(wǎng)格B中匹配的單元。

有益效果

根據(jù)本發(fā)明，可以不借助第三方軟件，在流模分析的網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格不一致情況下，將流模分析的單元方向信息導入到進行結(jié)構(gòu)分析的單元中；同時還可以滿足研究人員對材料自定義的要求，并在abaqus進行復雜模型和復雜工況結(jié)構(gòu)分析。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1：本發(fā)明的原理框圖；

圖2：本發(fā)明的流程圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明主要針對目前對短纖維增強制品研究方法存在的問題，提出了一種針對玻纖增強材料并基于abaqus和moldflow聯(lián)合仿真的結(jié)構(gòu)分析方法，該方法將在流模軟件moldflow計算得到的纖維分布情況以及方向信息通過運行腳本文件直接導入到abaqus的網(wǎng)格信息中。為了提高計算效率，只要保持與流模分析時的幾何模型一致，研究人員可以根據(jù)自己的需求利用幾何模型重新劃分網(wǎng)格，映射完纖維方向后研究人員可以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)賦材料屬性，研究人員也可以通過編寫子程序賦材料屬性。在abaqus中完成模型邊界條件施加，和場變量，時間輸出的定義后就可以提交Job進行計算。此種方法聯(lián)合了abaqus和moldflow兩種軟件進行模流分析和結(jié)構(gòu)分析，可以適用復雜模型和復雜工況。相較之前的聯(lián)合方法，此種方法更加靈活，它可以不借助第三方軟件，適用流模分析的網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格不一致情況的同時，還可以滿足研究人員對材料自定義的要求。

具體包括以下步驟：

步驟1：將含有玻纖增強材料結(jié)構(gòu)的幾何模型導入moldflow軟件中進行流模分析，得到纖維在玻纖增強材料結(jié)構(gòu)中的分布情況，并通過abaqus軟件和moldflow軟件的接口將所述分布情況導出為abaqus軟件可識別的文件；所述分布情況包括玻纖增強材料結(jié)構(gòu)中所有單元的節(jié)點信息和單元信息以及單元體積大??；其中單元信息包括單元的纖維方向信息。

步驟2：在abaqus軟件中按照結(jié)構(gòu)分析的要求對含有玻纖增強材料結(jié)構(gòu)的幾何模型重新劃分網(wǎng)格，并導出重新劃分的網(wǎng)格信息；所述重新劃分的網(wǎng)格信息包括重新劃分網(wǎng)格中所有單元的節(jié)點信息和單元信息以及單元體積大小。

步驟3：在abaqus軟件中對步驟2重新劃分的網(wǎng)格B與步驟1進行流模分析的網(wǎng)格A進行信息匹配：所述信息匹配過稱為：從網(wǎng)格A的第一個單元開始，和網(wǎng)格B的每個單元進行匹配分析，匹配標準是判斷兩個進行匹配的單元形心坐標距離是否小于設(shè)定閾值；根據(jù)匹配結(jié)果，將網(wǎng)格A中單元的纖維方向信息賦給網(wǎng)格B中匹配的單元。

在abaqus軟件中實現(xiàn)時，可以通過批量操作方法實現(xiàn)。另外，為了節(jié)約計算時間，提高計算效率，會出現(xiàn)進行單元匹配時網(wǎng)格A的單元數(shù)量少于網(wǎng)格B單元數(shù)量的情況，此時會出現(xiàn)網(wǎng)格A中的一個單元匹配網(wǎng)格B中的多個單元，則網(wǎng)格A中單元的纖維方向信息賦給網(wǎng)格B中匹配的多個單元。而為了提高計算精度，會出現(xiàn)進行單元匹配時網(wǎng)格A的單元數(shù)量多于網(wǎng)格B單元數(shù)量的情況，此時會出現(xiàn)網(wǎng)格A中多個單元匹配網(wǎng)格B中的一個單元，則根據(jù)體積加權(quán)平均方法對網(wǎng)格A中多個單元的纖維方向信息進行計算后賦予網(wǎng)格B中匹配的單元。

步驟4：對經(jīng)過步驟3處理后的網(wǎng)格B在abaqus中進行結(jié)構(gòu)分析。

基于上述原理步驟，下面給出具體實施例：

(1)在moldflow分析結(jié)束后，通過moldflow內(nèi)部命令導出纖維方向分布結(jié)果文件和模型單元信息文件，纖維分布結(jié)果包括了流模模型中每個單元的纖維方向，纖維方向是通過6個方向張量分量表示的，前3個方向張量組成的向量表示纖維方向，后三個方向張量表示與纖維所在平面內(nèi)與纖維垂直的方向向量，模型單元信息包括流模模型中每個單元包含的節(jié)點，以及每個節(jié)點的坐標，該信息文件都是以數(shù)據(jù)的形式存在的，此時這些數(shù)據(jù)abaqus并不識別。

具體操作為：在moldflow軟件的菜單欄View→User Interface：Command line，使用mpi2abaqus命令。

(2)通過abaqus和moldflow的接口將得到進行流模分析的模型信息轉(zhuǎn)化為abaqus可以識別的格式。將此時模型中所有單元的節(jié)點信息和單元信息以及單元體積大小，保存到獨立文件。模型單元信息包括流模模型中每個單元包含的節(jié)點，每個節(jié)點的坐標以及每個單元的體積，該信息文件都是以數(shù)據(jù)的形式存在的。

具體操作為：啟動DOS界面，在DOS界面輸入abaqus moldflow job＝box 3D element_order＝1。

(3)在abaqus按照結(jié)構(gòu)分析的要求對模型進行重新劃分網(wǎng)格，將重新畫好網(wǎng)格模型的模型信息包括模型中所有單元的節(jié)點信息和單元信息以及單元體積大小，保存到獨立文件。模型單元信息包括結(jié)構(gòu)分析模型中每個單元包含的節(jié)點，每個節(jié)點的坐標以及每個單元的體積，該信息文件都是以數(shù)據(jù)的形式存在的。

(4)通過編寫腳本文件可以實現(xiàn)對abaqus的批量操作方法，在腳本文件中使用循環(huán)語句即可對結(jié)構(gòu)模型的每個單元和流模模型的每個單元進行遍歷，判斷兩個單元是否匹配的方法是：

假設(shè)a為結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格B的某一個單元，b為流模模型網(wǎng)格A的某一個單元；a單元的形心坐標為(x₁，y₁，z₁)、b(x₂，y₂，z₂)；

$dis\tan ce=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}$

只要distance<tolerance，則b就和a是匹配的，其中tolerance是用戶自己定義匹配標準。

對于多對一模型：則通過腳本文件直接將b單元所對應(yīng)單元方向張量作為a的單元方向賦給a。具體代碼為：

p＝mdb.models['box'].parts['PART-1']

e＝p.elements

elements＝e.sequenceFromLabels([a])

region＝regionToolset.Region(elements＝elements)

mdb.models['box'].parts['PART-1'].MaterialOrientation(region＝region,

orientationType＝DISCRETE,axis＝AXIS_1,normalAxisDefinition＝VECTOR,

normalAxisVector＝(b₁₁，b₁₂，b₁₃),flipNormalDirection＝False,

normalAxisDirection＝AXIS_3,primaryAxisDefinition＝VECTOR,

primaryAxisVector＝(b₂₁，b₂₂，b₂₃),primaryAxisDirection＝AXIS_1,

flipPrimaryDirection＝False,additionalRotationType＝ROTATION_NONE,

angle＝0.0,additionalRotationField＝″,stackDirection＝STACK_3)

對于一對多模型：則通過腳本文件將所有和a匹配的b單元的方向張量經(jīng)過體積加權(quán)后作為a的單元方向賦給a。

具體代碼為：

p＝mdb.models['box'].parts['PART-1']

e＝p.elements

elements＝e.sequenceFromLabels([a])

region＝regionToolset.Region(elements＝elements)

mdb.models['box'].parts['PART-1'].MaterialOrientation(region＝region,

orientationType＝DISCRETE,axis＝AXIS_1,normalAxisDefinition＝VECTOR,

normalAxisVector＝(a₁₁，a₁₂，a₁₃),flipNormalDirection＝False,

normalAxisDirection＝AXIS_3,primaryAxisDefinition＝VECTOR,

primaryAxisVector＝(a₂₁，a₂₂，a₂₃),primaryAxisDirection＝AXIS_1,

flipPrimaryDirection＝False,additionalRotationType＝ROTATION_NONE,

angle＝0.0,additionalRotationField＝″,stackDirection＝STACK_3)

(6)映射完單元方向后，研究人員根據(jù)材料情況，在abaqus的material模塊中賦材料屬性后，添加邊界條件即可提交計算，進行結(jié)構(gòu)分析。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。