Abaqus二次开发在复合材料夹芯力学性能中的应用

朱昊，曹忠亮，邱睿，韩振华

Abaqus二次开发在复合材料夹芯力学性能中的应用

朱昊，曹忠亮，邱睿，韩振华

（江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001）

复合材料夹芯板兼备轻量化、多功能化等优点是很有前景的轻质结构。针对复合材料夹芯板有限元模型建模复杂，新的芯子结构进行新的二次开发导致建模效率低下的问题，基于Python语言对Abaqus的前处理模块进行二次开发，建立参数化建模的交互式界面，构建适用于任意芯子的复合材料夹芯板力学仿真模型，达到芯子结构设计与其力学性能分析快速响应的目的。通过算例对格栅夹芯板、点阵夹芯板两种典型的夹芯结构进行力学仿真分析，验证二次开发的可行性。

复合材料；夹芯板；Python语言；Abaqus二次开发；力学仿真

复合材料夹芯板通常使用纤维增强复合材料作为面板材料，采用轻金属或复合材料进行芯子制备，耐腐蚀性和抗疲劳性较好，维护成本低，兼备轻量化、多功能化等优点，广泛应用于航空航天领域[1-3]，如火箭的上级间段、适配器、下级间段，卫星的中心筒、吊杆，卫星平台[4]，C919机身壁板、垂直尾翼壁板等，都采用复合材料夹芯结构来实现轻量化，其结构设计与制造逐渐成为近年来研究的热点。

夹芯板设计与制造方法研究的目标是确保结构在寿命期内不会出现故障，预测夹芯板的结构刚度和强度，对其进行力学性能分析至关重要。夹芯板的面板常为层合板，是冲击载荷的主要承担部件，作为支撑夹芯板的芯子为压缩载荷的主要承担部件，近年来，学者对复合材料夹芯板进行了冲击和压缩力学性能分析，并探究了它的力学仿真模型建模方式。胡建华等[5]对CATIA进行二次开发，达成了高效导出机翼壁板的CAD数模和获取初始毛胚的目标。赵辽翔等[6]基于Abaqus开发研究了蜂窝夹芯板GUI建模程序，极大地提高了蜂窝板材有限元模型的创建速度。董明军等[7]使用Python语言进行二次开发，构建了变刚度层合板有限元模型，达到了自动采集目标数据的目的。陈芳育等[8]实现了Abaqus二次开发在复合材料层合板冲击建模中的应用，简化了建模过程，节省了模型处理时间。ÖZEN等[9]采用实验和数值仿真的方法研究了热塑性复合材料蜂窝和凹角型芯夹芯板的低能冲击响应。ZHANG[10]等对管增强蜂窝夹层结构的落锤冲击响应进行了实验和数值研究，结果表明，管状填料的加入提高了蜂窝夹层结构的刚度和峰值载荷。张亚文等[11]用仿真的方法探究了格栅-蜂窝混式芯体夹芯结构的低速冲击性能，发现该种结构有良好的低速冲击阻抗。ZHANG等[12]对仿生夹芯结构进行理论和仿真屈曲分析，开发了一种新的夹芯板屈曲分析方法。李响等[13]构建蜂窝夹芯板的压缩力学模型和仿真模型，研究了胞元和面板参数对结构稳定性的影响。刘玥等[14]对不同高度的Nomex蜂窝夹芯板的压缩失效机理进行了研究，发现测组中6mm蜂窝高度的夹芯结构吸能特性最好。

目前，还没有针对不同芯子的复合材料夹芯板力学仿真模型的二次开发，而复合材料夹芯结构的有限元模型建模较为复杂，设计新的芯子结构时进行新的二次开发导致建模效率低下，且易出错。为此，本文基于Python语言对Abaqus进行二次开发，开发了复合材料面板快速建模、夹芯板的面板与芯子自动装配、复合材料夹芯结构的低速与高速冲击仿真及压缩仿真模型高效建立的程序，创建了可视化的人机交互式界面，以达到芯子结构设计与其力学性能分析快速响应的目的，实现高效、准确的设计功能，最后通过算例对格栅夹芯板、点阵夹芯板两种典型的夹芯结构进行力学仿真分析，验证二次开发的可行性。

1 复合材料夹芯板力学仿真模型的二次开发

复合材料夹芯板的力学性能分析对于设计和制造轻质夹芯结构至关重要，而夹芯板的力学响应受其尺寸参数和材料性能的影响很大，实现高效、准确的设计功能，关键在于找到芯子结构设计与其力学性能分析快速响应的方法，借助二次开发程序可以实现复合材料夹芯板力学仿真模型的快速建立，达成目的。

1.1 开发Python可视化建模界面

对于复合材料力学仿真模型快速建立系统，其图形界面程序执行流程主要包含以下步骤：

（1）plugin插件注册模块将嵌入式窗口程序在Abaqus中声明，DB图形窗口设计模块将用户输入的参数进行前端可视化，在接收到用户输入的参数后，内核执行程序驱动Abaqus 内核执行内部命令，开始进行复合材料夹芯板力学仿真模型的建立；

（2）创建复合材料层合板模型，获取其尺寸参数信息，实体面板分层，定义面板层的材料属性和铺层角度，根据需要在层合板任意层间插入Cohesive单元；

（3）创建芯子模型，选择是否打开自建芯子模型，如选择Open Model，并导入芯子模型，建立夹芯板模型，如不导入芯子模型，即不打开任何模型，只建立层合板模型，建模结束；不选择Open Model，在参数栏中输入芯子结构参数、铺层信息及网格尺寸大小，建立插件自带的复合材料夹芯板模型；

（4）建立复合材料夹芯板冲击仿真模型，选择是否创建冲击仿真模型，如选择建立该仿真模型，同时没有选择建立压缩仿真模型，输入仿真参数，根据需要调用复合材料渐近损伤子程序，建立冲击仿真模型；

（5）建立复合材料夹芯板压缩仿真模型，选择是否创建压缩仿真模型，如选择建立该仿真模型，同时没有选择建立冲击仿真模型，输入仿真参数，根据需要调用复合材料渐近损伤子程序，建立压缩仿真模型；

（6）不创建冲击或压缩仿真模型，返回步骤（3），建立复合材料夹芯板模型或复合材料层合板模型。

具体程序执行流程如图1所示。

图1 图形界面程序执行流程

复合材料力学仿真模型快速建立系统主要分为4个模块：复合材料层合板模型建立、复合材料芯子模型建立、冲击力学性能仿真模型建立、压缩力学性能仿真模型建立，其部分可视化界面如图2所示。

1.2 前处理思路和程序代码

前处理过程分为以下步骤：

图2 复合材料力学仿真模型快速建立系统可视化界面

第三步：选择建立冲击力学性能仿真模型，如图3所示。在上、下面板中间加入刚度大的支撑垫块，下夹具、支撑垫块约束其全部自由度，赋予冲头参考点初速度，上夹具、冲头约束除冲击方向移动的其余自由度，上夹具的上表面施加均布压力，选择将很小变形的冲头、气动卡具、支撑垫块定义为离散刚体，指派单元类型为R3D4，同时采用通用接触、面对面接触来防止不合理的穿透现象，切向方向接触考虑摩擦力，法向方向接触定义为硬接触。

第四步：选择建立压缩力学性能仿真模型，如图4所示。给予上压盘的参考点压缩速度，约束其除压缩方向移动的其余自由度，下压盘完全约束，可选择将变形很小的上、下压盘定义为离散刚体，指派单元类型为R3D4，压盘和夹芯结构之间的接触通过显式分析里面的通用接触来定义，法向之间接触认为是硬接触，切向之间接触考虑摩擦。

图3 格栅夹芯板低速冲击有限元模型示意图

图4 点阵夹芯板压缩有限元模型示意图

2 算例分析

对格栅夹芯板、点阵夹芯板两种典型的夹芯结构，分别进行低速冲击仿真、压缩仿真分析，其面板与芯子的材料均为CF/PEEK（碳纤维增强聚醚醚酮），材料参数来自文献[15]，面板纤维堆叠顺序为[90°/0°/90°/0°]s，在插件的GUI界面上输入相关参数，并提交分析。

2.1 格栅夹芯板低速冲击仿真分析

使用插件自带的格栅芯子和vumat子程序建立格栅夹芯板低速冲击仿真模型，如图3所示，冲击速度为1.5m/s，芯子嵌条纤维堆叠顺序为[90°/0°/90°/0°]s。

从图5可以看出，最大冲击载荷为4.99kN，冲击器最大位移为2.24mm。冲击响应可分为4个阶段：弹性阶段，格栅夹芯结构发生弹性变形；第一线性增加阶段，上面板和芯子发生塑性变形；第二线性增加阶段，下面板也发生变形；回弹阶段，冲击器被反弹，冲击力下降。从图6可以看出，上复合材料面板最主要的损伤形式是垂直于纤维方向的基体拉伸失效，损伤基本位于冲击处，未向四周扩展，表明格栅夹芯结构具有良好的低速冲击阻抗。

图5 载荷-时间和位移-时间曲线

图6 格栅夹芯结构上面板损伤形貌

注：(a)纤维拉伸损伤，(b)纤维压缩损伤，(c)基体拉伸损伤，(d)基体压缩损伤。

2.2 点阵夹芯板压缩仿真分析

导入点阵芯子建立点阵夹芯板压缩仿真模型，如图4所示，芯子模型来自文献[15]，其失效判据准则和损伤演化方法采用2.1节提供的方案。

从图7可以看出，压缩响应可分为3个阶段：弹性阶段，随着压缩位移的增加，越来越多的部件分担受力，应力呈线性弹性增大的现象；平台阶段，结构开始失稳并发生破坏，但对载荷的增加不敏感；致密阶段，芯子被压实，压应力持续上升。该点阵夹芯结构的正面最大应变近似为5%，应用时应将其纳入考量，保证结构的稳定性。

图7 点阵夹芯板压缩应力-应变曲线

3 结论

本文提出了基于Python语言的可视化复合材料夹芯板力学仿真模型的建模方法，并利用该二次开发插件对一些典型的夹芯结构，分别进行低速冲击、压缩仿真。主要得出以下结论：

（1）本文首次系统地提出了针对不同芯子的复合材料夹芯板力学仿真模型的建模方法，采用模块化设计，通过人机交互式界面设置夹芯板力学仿真模型的各项参数，可以快速建立复合材料层合板模型、复合材料夹芯板模型、复合材料夹芯板冲击仿真模型、复合材料夹芯板压缩仿真模型，达到芯子结构设计与其力学性能分析快速响应的目的，为设计和制造航空复材夹芯板提供辅助作用。

（2）该种复合材料夹芯结构力学仿真建模方法，适用于任意芯子模型，具备广泛的适用性，插件自带可调用子程序功能，内嵌常用的3D Hashin复合材料损伤判定子程序，仿真结果更合理，接近于理论与实际，夹芯板力学仿真结果表明，格栅夹芯结构具有良好的低速冲击阻抗，点阵夹芯结构正面最大应变近似为5%。

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[7] 董明军，曹忠亮，韩振华，等. Abaqus二次开发在变刚度层合板屈曲分析中的应用[J]. 复合材料科学与工程，2022(03): 24-28.

[8] 陈芳育，李进，邱玮桢，等. 基于Python的ABAQUS二次开发在复合材料层合板冲击建模中的应用[J]. 装备环境工程，2020, 17(09): 1-6.

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[10] ZHANG Y, YAN L, ZHANG C, et al. Low-velocity impact response of tube-reinforced honeycomb sandwich structure[J]. Thin-Walled Structures, 2021, 158: 107188.

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[14] 刘玥，刘伟，华洲，等. 复合材料Nomex蜂窝夹芯结构的平压试验研究[J]. 航空制造技术，2020, 63(17): 86-91.

[15] HU J, LIU A, ZHU S, et al. Novel panel-core connection process and impact behaviors of CF/PEEK thermoplastic composite sandwich structures with truss cores[J]. Composite Structures, 2020, 251: 112659.

Application of Abaqus secondary development in mechanical properties of composite sandwich

ZHU Hao，CAO Zhong-liang，QIU Rui，HAN Zhen-hua

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology, Jiangsu Changzhou 213001, China)

The composite sandwich panel has the advantages of lightweight and multi-function, and is considered to be the most promising lightweight structure. In view of the complex modeling of composite sandwich panel finite element model and the low modeling efficiency caused by the new secondary development of new core structure, the pre-processing module of Abaqus is redeveloped based on Python language, the interactive interface of parametric modeling is established, the mechanical simulation model of composite sandwich panel is constructed, so as to achieve the purpose of rapid response of core structure design and mechanical property analysis. Finally, the mechanical simulation analysis of two typical sandwich structures such as grid sandwich panel and lattice sandwich panel is carried out through an example to verify the feasibility of secondary development.

composites；sandwich panel；Python language；Abaqus secondary development；mechanical simulation

TB33

A

1007-984X(2023)03-0001-05

2022-12-15

江苏省高等学校自然科学研究重大项目（21KJA460004）；江苏省研究生实践创新计划（SJCX21_1325）；常州市应用基础研究计划（CJ20200062）

朱昊（1996-），男，江苏宿迁人，硕士，主要从事复合材料夹芯结构设计研究，2060738018@qq.com。