一种针对玻纤增强材料并基于abaqus和moldflow联合仿真的结构分析方法

摘要

本发明提出一种针对玻纤增强材料并基于abaqus和moldflow联合仿真的结构分析方法，该方法将在流模软件moldflow计算得到的纤维分布情况以及方向信息通过运行脚本文件直接导入到abaqus的网格信息中。只要保持与流模分析时的几何模型一致，研究人员可以根据自己的需求利用几何模型重新划分网格，映射完纤维方向后研究人员可以根据试验数据赋材料属性。在abaqus中完成模型边界条件施加和场变量、时间输出的定义后就可以提交Job进行计算。此种方法联合了abaqus和moldflow两种软件进行模流分析和结构分析，可以适用复杂模型和复杂工况。相较之前的方法，此种方法更加灵活，它可以不借助第三方软件，适用流模分析的网格与结构分析的网格不一致情况的同时，还可以满足研究人员对材料自定义的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及针对玻纤增强材料的结构分析方法，具体为一种针对玻纤增强材料并基于abaqus和moldflow联合仿真的结构分析方法。

背景技术

当前，研究纤维增强复合材料已经成为国际上重视的技术问题，在军用方面：飞机、火箭、人造卫星、舰艇、等军事装备都逐渐形成百分百复合材料制造；在民用方面：复合材料在运输工具、建筑结构、医疗仪器等领域已经发挥了重要的作用。纤维复合材料根据构造形式分为：单层复合材料、层叠复合材料、短纤维复合材料。短纤维复合材料其主要应用领域是汽车行业，可用于结构零件的制造；也可以用于飞行器内部非结构件的制造；纤维赋予制品良好的热力学性能，短纤维复合材料也适用于制造靠近热源的器件。另外在电气电子和家用器具方面也应用广泛。

不同复合材料有不同的制造方法，注塑成型是短纤维复合材料一种重要加工方法。在注塑成型过程中，纤维随着基体一起在模具型腔中流动，使短纤维在不同的位置产生不同的取向，从而使成型后的材料和制品中的不同位置呈现不同的微观结构。在成型过程中，熔体温度、注射压力、模具型腔形状和加工工艺参数都会对纤维的最终状态产生影响。除此之外，也可以通过组分材料的选择和匹配获得具有不同微观结构及力学性能的复合材料。为了将短玻纤增强材料更好的应用到生活中，对于短玻纤增强材料力学性能的研究就显得日益重要。现今对于短纤维增强制品的主要研究方法主要分为以下三种方法：(1)短纤维增强制品一般通过注塑成型，Moldflow对注塑过程中基体的流动过程及其产生结果进行了比较全面考虑，所以在Moldflow中就可以进行填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向等各方面分析。(2)联合Abaqus和Mlodflow两种软件进行模流分析和结构分析。因为注塑制品的结构分析并不能依靠一般注塑CAE进行，还需要其他优秀的结构分析软件，Abaqus早已经成为业内公认的功能最强的通用优秀有限元，abaqus有直接和moldflow的接口，所以可以直接通过联合Abaqus和Mlodflow两种软件进行模流分析和结构分析，也成为预测和验证对短纤维增强复合材料力学性能的有效手段。(3)联合Abaqus、digimat和Mlodflow三种软件进行模流分析和结构分析。首先应用Moldflow获得纤维在结构中分布情况以及方向信息；然后应用Digimat实现纤维方向数据的映射；最后应用Abaqus进行结构的有限元分析。然而目前的三种方法又存在一些问题：对于第一种方法，由于Moldflow不是专业的结构分析软件，所以通过Moldflow只能针对简单模型进行一些简单的结构分析，有时并不能得到研究人员想要的分析结果；对于第二种方法，联合Abaqus和Mlodflow两种软件进行模流分析和结构分析，虽然相较第一种方法，可以对复杂结构进行结构分析，然而应用这种方法需要abaqus和moldflow软件版本的完全匹配，这样对于使用者的硬件要求较为苛刻，并且这种映射方法对于分析模型的网格有严格的要求，灵活性不高；对于第三种方法借助第三方软件digimat，因为引入了三方软件使计算方法变得复杂并且耗费更多的资金，并且这种方法是根据材料包含的两相推测出来的材料本构映射到结构网格中，实际工艺制作的材料的力学性能与预测的结果并不一致，将预测的结果带入到结构中进行结构分析并不准确。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种针对玻纤增强材料并基于abaqus和moldflow联合仿真的结构分析方法，该方法将在流模软件moldflow计算得到的纤维分布情况以及方向信息通过运行脚本文件直接导入到abaqus的网格信息中。为了提高计算效率，只要保持与流模分析时的几何模型一致，研究人员可以根据自己的需求利用几何模型重新划分网格，映射完纤维方向后研究人员可以根据试验数据赋材料属性，研究人员也可以通过编写子程序赋材料属性。在abaqus中完成模型边界条件施加，和场变量，时间输出的定义后就可以提交Job进行计算。此种方法联合了abaqus和moldflow两种软件进行模流分析和结构分析，可以适用复杂模型和复杂工况。相较之前的联合方法，此种方法更加灵活，它可以不借助第三方软件，适用流模分析的网格与结构分析的网格不一致情况的同时，还可以满足研究人员对材料自定义的要求。

本发明的技术方案为：

所述一种针对玻纤增强材料并基于abaqus和moldflow联合仿真的结构分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将含有玻纤增强材料结构的几何模型导入moldflow软件中进行流模分析，得到纤维在玻纤增强材料结构中的分布情况，并通过abaqus软件和moldflow软件的接口将所述分布情况导出为abaqus软件可识别的文件；所述分布情况包括玻纤增强材料结构中所有单元的节点信息和单元信息以及单元体积大小；

步骤2：在abaqus软件中按照结构分析的要求对含有玻纤增强材料结构的几何模型重新划分网格，并导出重新划分的网格信息；所述重新划分的网格信息包括重新划分网格中所有单元的节点信息和单元信息以及单元体积大小；

步骤3：在abaqus软件中对步骤2重新划分的网格B与步骤1进行流模分析的网格A进行信息匹配：所述信息匹配过称为：从网格A的第一个单元开始，和网格B的每个单元进行匹配分析，匹配标准是判断两个进行匹配的单元形心坐标距离是否小于设定阈值；根据匹配结果，将网格A中单元的纤维方向信息赋给网格B中匹配的单元；

步骤4：对经过步骤3处理后的网格B在abaqus中进行结构分析。

进一步的优选方案，所述一种针对玻纤增强材料并基于abaqus和moldflow联合仿真的结构分析方法，其特征在于：步骤3中，在abaqus软件中通过批量操作方法，对步骤2中重新划分的网格B与步骤1中进行流模分析的网格A进行信息匹配。

进一步的优选方案，所述一种针对玻纤增强材料并基于abaqus和moldflow联合仿真的结构分析方法，其特征在于：步骤3中，根据匹配结果，将网格A中单元的纤维方向信息赋给网格B中匹配的单元过程中，若网格A中的一个单元匹配网格B中的多个单元，则将网格A中单元的纤维方向信息赋给网格B中匹配的多个单元，若网格A中多个单元匹配网格B中的一个单元，则根据体积加权平均方法对网格A中多个单元的纤维方向信息进行计算后赋予网格B中匹配的单元。

有益效果

根据本发明，可以不借助第三方软件，在流模分析的网格与结构分析的网格不一致情况下，将流模分析的单元方向信息导入到进行结构分析的单元中；同时还可以满足研究人员对材料自定义的要求，并在abaqus进行复杂模型和复杂工况结构分析。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的原理框图；

图2：本发明的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明主要针对目前对短纤维增强制品研究方法存在的问题，提出了一种针对玻纤增强材料并基于abaqus和moldflow联合仿真的结构分析方法，该方法将在流模软件moldflow计算得到的纤维分布情况以及方向信息通过运行脚本文件直接导入到abaqus的网格信息中。为了提高计算效率，只要保持与流模分析时的几何模型一致，研究人员可以根据自己的需求利用几何模型重新划分网格，映射完纤维方向后研究人员可以根据试验数据赋材料属性，研究人员也可以通过编写子程序赋材料属性。在abaqus中完成模型边界条件施加，和场变量，时间输出的定义后就可以提交Job进行计算。此种方法联合了abaqus和moldflow两种软件进行模流分析和结构分析，可以适用复杂模型和复杂工况。相较之前的联合方法，此种方法更加灵活，它可以不借助第三方软件，适用流模分析的网格与结构分析的网格不一致情况的同时，还可以满足研究人员对材料自定义的要求。

具体包括以下步骤：

步骤1：将含有玻纤增强材料结构的几何模型导入moldflow软件中进行流模分析，得到纤维在玻纤增强材料结构中的分布情况，并通过abaqus软件和moldflow软件的接口将所述分布情况导出为abaqus软件可识别的文件；所述分布情况包括玻纤增强材料结构中所有单元的节点信息和单元信息以及单元体积大小；其中单元信息包括单元的纤维方向信息。

步骤2：在abaqus软件中按照结构分析的要求对含有玻纤增强材料结构的几何模型重新划分网格，并导出重新划分的网格信息；所述重新划分的网格信息包括重新划分网格中所有单元的节点信息和单元信息以及单元体积大小。

步骤3：在abaqus软件中对步骤2重新划分的网格B与步骤1进行流模分析的网格A进行信息匹配：所述信息匹配过称为：从网格A的第一个单元开始，和网格B的每个单元进行匹配分析，匹配标准是判断两个进行匹配的单元形心坐标距离是否小于设定阈值；根据匹配结果，将网格A中单元的纤维方向信息赋给网格B中匹配的单元。

在abaqus软件中实现时，可以通过批量操作方法实现。另外，为了节约计算时间，提高计算效率，会出现进行单元匹配时网格A的单元数量少于网格B单元数量的情况，此时会出现网格A中的一个单元匹配网格B中的多个单元，则网格A中单元的纤维方向信息赋给网格B中匹配的多个单元。而为了提高计算精度，会出现进行单元匹配时网格A的单元数量多于网格B单元数量的情况，此时会出现网格A中多个单元匹配网格B中的一个单元，则根据体积加权平均方法对网格A中多个单元的纤维方向信息进行计算后赋予网格B中匹配的单元。

步骤4：对经过步骤3处理后的网格B在abaqus中进行结构分析。

基于上述原理步骤，下面给出具体实施例：

(1)在moldflow分析结束后，通过moldflow内部命令导出纤维方向分布结果文件和模型单元信息文件，纤维分布结果包括了流模模型中每个单元的纤维方向，纤维方向是通过6个方向张量分量表示的，前3个方向张量组成的向量表示纤维方向，后三个方向张量表示与纤维所在平面内与纤维垂直的方向向量，模型单元信息包括流模模型中每个单元包含的节点，以及每个节点的坐标，该信息文件都是以数据的形式存在的，此时这些数据abaqus并不识别。

具体操作为：在moldflow软件的菜单栏View→User Interface：Command line，使用mpi2abaqus命令。

(2)通过abaqus和moldflow的接口将得到进行流模分析的模型信息转化为abaqus可以识别的格式。将此时模型中所有单元的节点信息和单元信息以及单元体积大小，保存到独立文件。模型单元信息包括流模模型中每个单元包含的节点，每个节点的坐标以及每个单元的体积，该信息文件都是以数据的形式存在的。

具体操作为：启动DOS界面，在DOS界面输入abaqus moldflow job＝box 3D element_order＝1。

(3)在abaqus按照结构分析的要求对模型进行重新划分网格，将重新画好网格模型的模型信息包括模型中所有单元的节点信息和单元信息以及单元体积大小，保存到独立文件。模型单元信息包括结构分析模型中每个单元包含的节点，每个节点的坐标以及每个单元的体积，该信息文件都是以数据的形式存在的。

(4)通过编写脚本文件可以实现对abaqus的批量操作方法，在脚本文件中使用循环语句即可对结构模型的每个单元和流模模型的每个单元进行遍历，判断两个单元是否匹配的方法是：

假设a为结构模型网格B的某一个单元，b为流模模型网格A的某一个单元；a单元的形心坐标为(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，则b就和a是匹配的，其中tolerance是用户自己定义匹配标准。

对于多对一模型：则通过脚本文件直接将b单元所对应单元方向张量作为a的单元方向赋给a。具体代码为：

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)

对于一对多模型：则通过脚本文件将所有和a匹配的b单元的方向张量经过体积加权后作为a的单元方向赋给a。

具体代码为：

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)映射完单元方向后，研究人员根据材料情况，在abaqus的material模块中赋材料属性后，添加边界条件即可提交计算，进行结构分析。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。