ABAQUS二次开发在Csf_Mg复合材料微观几何建模中的应用.pdf

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1、计算机应用技术特种铸造及有色合金2 0 1 1 年第3 1 卷第4 期A B A q 焉二次开发在Q M g 复合材料微观几何建模中的应用霍金星齐乐华周计明(西北工业大学机电学院)摘要基于R S A 方法构建C。f M g 微观模型是对其材料性能进行有限元模拟的重要基础。由于C。f M g 复合材料性能受纤维体积分数、纤维取向分布、纤维长径比等参数的影响，针对不同仿真需求采用手工方法建立其有限元模型工作效率极低，因此采用P y t h o n 脚本语言对A B A Q U SG U I 进行二次开发，建立用户自定义图形界面。结果表明，对A B A Q U SG U I进行二次开发可以根据用户需

2、求创建图形用户界面，通过输入相关参数可以实现自动创建C“M g 复合材料有限元几何模型，同时极大地简化了建模过程。基于R S A 方法可实现二维或三维纤维随机取向或定向分布的短纤维增强复合材料的几何建模。关键词C“M g 复合材料；A B A Q U S 二次开发；P y t h o n 语言；R S A 方法中图分类号T B 3 3 3；T G l 4 6 2 2文献标志码A文章编号1 0 0 1 2 2 4 9(2 0 1 1)0 4 一0 3 2 2 一0 3D O I：l O 3 8 7 0 t z z z 2 0 1 1 0 4 0 0 9短纤维增强镁基复合材料具有低密度、高比强度、

3、优异的阻尼减震性能和低的热膨胀系数等性能，在航空航天、汽车以及电子封装等领域有着巨大的应用潜力 1 4 。鉴于短纤维增强复合材料具有多相组分，内部微观结构复杂，分析尺度横跨微观、细观和宏观，研究者较多采用有限元方法对其材料性能进行研究 5 7 。金泉 8 1 等采用随机顺序吸附方法建立了位置和取向随机分布的多纤维多颗粒增强复合材料三维有限元模型，并基于此模型研究了原位合成T i B 2 纤维和T i C 颗粒混合增强的钛基复合材料的力学性能与微观结构的关系。L e e 9 3 等也依据随机顺序吸附法建立了A 1，。B 4 0。增强镁基复合材料的代表性体积单元，并预测了该复合材料变形过程中的整体

4、弹塑性响应。模拟结果的准确性说明，基于一定随机算法建立的复合材料微观几何模型是合理的。由于C。t M g 复合材料内部纤维增强相的位置和取向均为随机分布，所以无法利用手动方法逐步建立该类复合材料的几何模型。A B A Q U S 是一套功能强大的有限元软件 10。，通过集成P y t h o n 语言向二次开发者提供了很多对象类型和库函数，通过脚本接口调用这些对象和库函数实现对A B A Q U S 的二次开发。P y t h o n是一门解释性的、面向对象的、动态语义特征的高层语言 1，作为可以在多数平台上运行的脚本语言，包含了丰富的数据类型，非常适用于应用程序的快速开发。因此，本课题基于有

5、限元模拟软件A B A Q U S 强大的前处理开发功能，采用P y t h o n 语言编写用户界面二次开发程序和内核程序，创建用户自定义图形界面，以期通过界面输人建模所需参数，即可自动生成C，r M g 复合材料有限元几何模型。1A B A Q U S 前处理的二次开发1 1C d M g 复合材料几何模型的生成算法目前，可用于建立短切纤维增强复合材料微观尺度几何模型的方法有3 大类 1 引：随机顺序吸附方法(R S A)、蒙特卡罗方法(M o n t eC a r l o)和i m a g er e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e。前两种

6、方法使用较为广泛，第3种方法设备成本较高，建模过程复杂，至今未见使用该方法建模研究的相关报道。本课题拟采用R S A 方法建立纤维取向随机分布的复合材料几何模型。图1 为基于R S A 方法的纤维取向随机分布的C。r M g 复合材料微观几何模型建模流程。首先建立纤图1基于R S A 方法的几何模型建模程序维和基体P a r t 模型，并基于基体P a r t 生成基体I n s t a n c e。然后基于纤维P a r t 生成一根纤维I n s t a n c e，采收稿日期：2 0 1 0 1 0 2 0；修改稿收到日期：2 0 1 0 一1 1 2 0基金项目：国家自然科学基金资助项

7、目(5 0 9 7 2 1 2 1)；西北工业大学创新基金(2 0 1 0 0 2 0 2)、博士创新基金(C x 2 0 1 0 1 1)和研究生创业种子基金资助项目(Z 2 0 1 0 0 1 7)第一作者简介：霍金星，男，1 9 8 7 年出生，硕士研究生，西北工业大学机电学院，西安(7 1 0 0 7 2)，电话：1 3 3 6 3 9 5 7 7 8 6，E m a i l：c h i n a s t a r h j x 1 6 3 c o m通讯作者：齐乐华，女，1 9 5 7 年出生，教授，西北工业大学机电学院，西安(7 1 0 0 7 2)，电话：0 2 9 8 8 4 6 0

8、 4 4 7，E m a i l：q i l e h u a n w p u e d u 3 2 2万方数据A B A Q u s=扶开发在c 一M z 复合材料澈观几何建横中的琏用露台吊荨用A b A Q u s 内部库函数对其进行随机地旋转和平移操作使其位置和取向均为随机井判断纤维是否相交，若没有则保存纤维数据，否则继续对其进行旋转和平移操作，利用所有纤维I n s t a n c e 切割基体l n s l a n c e 井基于此判断纤维体g 分数是番达到要求若没有贝4 循环进行纤维潦加和随机移动操作否则程序结束。l2 圈形用户界面开发要建立的c“M g 复台材料微观几何模型见圈2 需

9、要采用若干蜜散来碲定基体太小、纤维克径及纤维长径比等。各参数都有默认值，其巾，纤维直径D 为7p-纤维长度f t 为1 0 5P m，立方体长度z z 为l l op 1。一塑!L量扣目zc _ r M g i*#建#事 t 目基于R s A 方法，利用A B A Q u sG u I 二次开发的功能创建了躅形用户界面见囤3。主要包括3 部分图形显示医变量输人区和运行按钮，其中用彤显示区包括个图形控件和一个I 曲控件用米说明要输人的建模参数的具体古卫：运行按钮医包括两十按钮拉件：()K 和c a n c d 分别用柬执行建模和取消建模操作；参数输人区包括建梗所需耍的所有参数输入框主要分为两类几

10、何参敛和材料属性参数用户可“根据不同模拟环境需求，选择生成不同类型的几何模型(M o d e lT y p e)可选类型包括：二维陆机升布儿何模型、三维随机分布几何模型和三维定向丹布几何模型。复台材料建模的其他几何参敷数值包括纤维的体积分数直往和长经比。目3m 十q c I，+M z H*有m i n*#目m，*自抒发(，t M g 复合材料建控的G u l 界面时用副柱多A B A Q u s 对象娄孕，在整个程序开始之前要引A 几个痪块，如：a b 8 q”s、a b a q u s G u l 和a b 8 q u s c o n“a n t s模块。A B A Q u s 的对象粪型般

11、分为s。删o n m d b，o d b3 粪。其中m d b 对象包括|算模型时象和作业对象几乎涵盖r：趺开发编程所需的所有对象类型。丰课题对m d b 对象进行撵怍建立了用户自定义图形界面收集建模所需参敛信息并传递给内核控序以生成不同类型的c“M g 复合材料有限元分析模型为后续的有限元模拟奠定基础。整个应用程序的对话框是从A F x m”D I a】o g 类型继承过束的，为使樽应用程序蜓为直观程序使用了G r o u p B o x 对象类型将年同的参散分类显示。将所有参数分为两类：儿何参数和材科属性参数。M o d dT y p e 采用 F x c o m b o B。x 类型表示

12、摹体材料的塑性属性值采用A F x T a b k 对璺类型其他均采用A F x T ex I F I e】d 对象类型丧示。I3 编写内核程序J I 户在卅发出米的G u I 界面i 选择几何模型类型并输人所需的参数数值然后点击运行按钮()K)G u I 程序将会把扣血的参数散恤传递给内段程序，从而生成c m，M g 复合材料的有限兀模型。内核程序结构见幽4，包括增强柑和基体相模型创建摸块“厦添加材料属性模块，前一个模块中迸包括相交判断、纤维体积分散拄制、取m 分布拧制等于模蛱；一”L _ 裂：嘉嚣lL 一L!竺坚型目1 H a R n*l3 l 纤维傩税分数的控制在生成c r M g 复台

13、材辩的微观几何模硝时模喇中的部分矩纤维破莲体区域的边界切断而出现不完整的胡柱几何形状导数不能通过横裂中生成的纤维 l 敷束计算纤维体机分散。因此采用有限无模拟软件A B A Q u s 的函数库中的提取a s b l y 体积数值大小的函数来实现纤维体积分数的控制。l _ 32 单根纤维和基体的生成创建随机分抽或定向分布的增强棚和肇体相模型之前首先荽q 成苒神麻的p a 模碰纤维和甚件p 州模型生成程序如F。(1)纤维坤n 模型的生成代码sC 1r c I e B 正e n t e r P e n m e t e r(c e n t c r=(O 0)3 2 3万方数据一特补铸造灶“也舟缸2

14、n 1 1 年第3 1 奄辩；嘲D o l n【1=(l b c r r O，)D m d hm u d c k M o d c|1：I ar I(cP d n1 d t s l o n a l yr H R E ED 1 y p c1)E F()R MA H I 一B()D Y)p 一m o d d M)d e ll j m：P M ll：p H c，E x Ir u“(s k n d l 一f I e p I h f j b 盱l【h)2)基休p 川榄犁的牛成代码s lr cc l a n g h(I)o I n t】一(O 0)m l 2 一(u l n c“l c“斟h C ub j

15、c k n g I h)D=m d hm o(k l s rM o d c l1“I a(。一P a n-P，d n s m n a l l y1 R H l=一J】t v p cI)E F()R M B l 一)D Y)p=m d I，d e l s M【)d e lCI)a m P a 卅r1 1B a s r S(，l lE 哐x lr u d c(s k P I r hs 1-(h-T 1 l hr u b l cI e n g I l l)l3 3维儿何髓型中纤维取向分柑的史现缸合树料的：维儿何候犁中吖以创建纤维取向随机仆m 和纤维单破向的几n，I 樾州钊时川p 的4：选样可“通廿变

16、量a n R k 柬立成纤维取m 黼帆分m时a n z l e 由r a n d o m(I 甬散赋仉与取向定时，a n 日l e山川一的输入值确定134 纤维之删相交的判断m 干在实际复台材料内部纤维之叫乖能出班相互十涉内棱程序生成0M E 复合材科儿似模型时臆避免纤维之问出现相交。n 衍扦发了棚空判断算越采川 I j A Q t 隋软件内部荫艘R M“P I”c“)“并了纤维增强棚的总悼积J 单撒纤维的体积，井进行了相受削断。2 应用实倒基r 开发的c 一一M g 艇台材科儿何模型建模心H I程序根据不同的轱人参数世置，牛成了不H 类刹的几何模型见图5。其中例5 a 为纤维硫机分布的二维模

17、型图孙为纤维随机分布：维模型幽孔为纤维定向分柑=维模恺。各模型对应的建横参敬见岳1。鞠籀r m*j n H#“一镕自*目5 H *#T j，M E#*n H#tI*月*E 月$d t*目的 目m2。t l R 1 L EDM m”m m t、I f JI d l，M a l r fJ 6 h vz 0c 1 1，5 3 f )l22 s!竺i 篁!篁!篁。；嚣；，；巡w 竺=兰j：?：=：!_ 譬篙：翟=：。：嚣篙=$?j“9 06m 1“M 眦n 小P q H RT c c h n 0 1 y2。1 0 6(1，：6，：i 翌鉴i*出茎；iimi：；黼嚣盘赫兹*一n*m n m二。f，镕f

18、g$H”m*#*月自 j _ 娃嚣”#*#n 2z 0 0 9 f*“)t 12 1l2 3一。目*#E#“m A*M o H#*g m(1)创建了用户n 定望嗑I H 程序片把P 1 u R 训s 菜单潜加刮A H A q u s，+c A E 巾”f 以n 曲完成几阿理模材料属性掭加等任务。(2)乘用P”h o n 语吉对A I l A Q u s 的处理一次开发通过在图形朋r T 群血中箱 建模罄敏可实现不问类型的短纤维坩强复舟材料的儿何摸型建模H 效率鹱手动方式有鞍凡的提高。(3)根据模型几何特征水阔R s A 方让町H 用于建立纤维取向定向分巾或随机分布的h M z 复台材料二维、i

19、 维几何慎掣女#Si2#j f f K W#。J H JH m$z 0-(-】lJ。】3 2 4*E J H#H i z o。5 13(5)：lI s a7j J 、Y】D R G LP L 阱H l m I y mo f n d o”r I u【州r l f u H“l u*I*I n RF E d“H n d o”s q n 【日d 7 p l 哪【J 1c o n l P“1 圳j l。n a b*【e H c e z 0 0 s Jl。，16 1_ r&镕十一*#一#q H 镕A m?#o I“m K*m。j：z“f m u 6，2”2)，1 l2 0ll E l=wJ，“)xJHK

20、州He td IF l f f I n I n l y，l “d c b l o nb“一f 一n d t h l k or 。J r I 口bM a l c n m m2 0 0 95 I：5 8 05 8 0”：*H ，I t P y t h 目 M Q u s 自Am*&JH mz 0 0 6 J“1)，6 1 1 j#w f#t“$*aP y l h。n!】3m nHm2 0 0 zz 3(5：2 l2 jP NY1 R(r I P H Hr M N 兀c“t e I r n d h o p 州f l h”p o 一【c _ R v F n dl t 5c i a，t【p”I r t

21、l f J“H。l _ r)“t n dT r c h”oo E y”0 HE R-17 0 2z7 Rl。*I 一*u q u s 目月&口一女 K*H g“H 十”H i W I f“2-9 3l“6，3 3 9 t 3 3I 绩辑：张正贺)万方数据ABAQUS二次开发在Csf/Mg复合材料微观几何建模中的应用ABAQUS二次开发在Csf/Mg复合材料微观几何建模中的应用作者：霍金星，齐乐华，周计明，Huo Jinxing，Qi Lehua，Zhou Jiming作者单位：西北工业大学机电学院刊名：特种铸造及有色合金英文刊名：SPECIAL CASTING&NONFERROUS ALLOYS年，卷(期)：2011,31(4)本文链接：http:/