摘要
复合材料因其高比强度、高比刚度等优异性能，在航空航天、汽车、风电等领域得到广泛应用。然而，复合材料的各向异性、多失效模式等特点，使其失效分析和预测变得复杂。本文系统介绍了在SIMULIA/Abaqus中实现复合材料失效准则的完整工程流程，包括失效准则选择、材料参数定义、有限元建模、求解设置、结果后处理及验证方法，为工程人员提供了一套可操作的实践指南。
1. 引言
复合材料结构设计中的关键挑战之一是如何准确预测其失效行为。传统的各向同性材料失效准则（如von Mises）不再适用，需采用专门针对复合材料的失效判据。SIMULIA/Abaqus作为领先的工程仿真平台，提供了多种复合材料失效分析功能，既有内置的失效准则，也支持用户通过子程序（如USDFLD、VUMAT）实现自定义准则。
本文聚焦于使用Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit进行复合材料层合板（或结构）的渐进损伤分析（Progressive Damage Analysis, PDA），并确保分析结果的有效性。
2. 复合材料失效准则概述
在实施前，需根据材料类型、载荷条件和设计阶段选择合适的失效准则：
2.1 常用失效准则
-
最大应力/应变准则：简单直观，但未考虑应力相互作用。
-
Hashin准则（Abaqus内置）：区分纤维拉伸/压缩、基体拉伸/压缩四种失效模式，适用于单向纤维增强复合材料。
-
Puck准则：更精细地预测基体失效，尤其在压缩载荷下。
-
LaRC准则（NASA开发）：考虑纤维微屈曲、扭结等复杂模式。
-
Tsai-Wu、Tsai-Hill准则：基于张量的经验准则，适用于初步设计。
2.2 SIMULIA/Abaqus中的实现方式
-
内置损伤模型：在
*Damage Initiation和*Damage Evolution中直接选用Hashin等准则，适用于大多数工程问题。 -
用户自定义子程序：通过编写
VUMAT（显式）或结合USDFLD+UMAT（隐式）实现更复杂的准则或材料行为。
3. 工程实施流程
3.1 前处理阶段
3.1.1 材料属性定义
-
弹性参数：在
Property模块中创建Engineering Constants，输入E1, E2, E3, ν12, ν13, ν23, G12, G13, G23。 -
强度参数：定义
*Damage Initiation下的失效强度，例如对于Hashin准则需输入：-
XT（纵向拉伸强度）、XC（纵向压缩强度）
-
YT（横向拉伸强度）、YC（横向压缩强度）
-
SL（面内剪切强度）、ST（横向剪切强度）
-
-
损伤演化规律：在
*Damage Evolution中定义失效后的刚度退化规律（基于位移或能量），设置断裂能GIC、GIIC等。
3.1.2 几何与铺层定义
-
使用
Composite Layup工具创建铺层序列，为每一层指定材料、厚度、方向角。 -
可通过
Ply Stack Plot检查铺层顺序和方向。
3.1.3 网格划分
-
复合材料壳结构推荐使用连续壳单元（如SC8R）或实体壳单元，以更好捕捉面外效应。
-
确保每个铺层至少有一层单元，以准确计算层间应力。
-
在可能失效的区域（如孔边、自由边）进行网格细化。
3.1.4 载荷与边界条件
根据验证实验或实际工况施加位移/力载荷，注意引入载荷引入区的局部效应。
3.2 求解设置
3.2.1 分析步
-
创建
Static, General（隐式）或Dynamic, Explicit（显式）分析步。 -
对于非线性渐进损伤，需打开几何非线性（
Nlgeom=ON）。 -
设置足够小的初始增量步，并使用自动增量步控制。
3.2.2 场输出与历史输出
-
场输出：必须请求
STATUS（单元删除状态）、DAMAGEFT、DAMAGEFC等失效相关变量（变量名取决于所用准则）。 -
历史输出：输出总体载荷-位移曲线、关键点的应力应变等，用于与实验对比。
3.2.3 接触与约束
若涉及分层失效，需在层间定义Cohesive Behavior或使用内聚力单元（COH3D8）。
3.3 使用子程序（进阶）
当内置准则不满足需求时：
-
编写VUMAT/USDFLD：在子程序中实现失效判断和刚度折减。
-
编译与链接：使用Abaqus命令
abq make编译为目标文件，在作业提交时关联。 -
调试：建议先用单单元模型验证子程序逻辑。
4. 结果验证与确认
仿真结果的可靠性必须通过系统验证（Verification）与确认（Validation）。
4.1 验证（代码与模型正确性）
-
单元测试：对单层板在单轴应力下进行仿真，检验失效起始载荷是否与理论值一致。
-
解析解对标：对于简单载荷（如[0/90]s层合板拉伸），将仿真得到的刚度、首层失效强度与经典层合板理论（CLT）结果比较。
-
网格收敛性：细化网格直至关键结果（如极限载荷、损伤区域）不再显著变化。
-
子程序验证：逐行检查子程序逻辑，确保应力更新和损伤变量计算正确。
4.2 确认（与物理实验一致性）
-
测试数据获取：
-
进行材料级测试（如单向板拉伸、压缩、剪切）获取用于仿真的基本强度参数。
-
进行元件级测试（如开孔拉伸、螺栓连接）作为仿真对比的基准。
-
-
对比内容：
-
全局响应：载荷-位移曲线（峰值载荷、初始刚度、后屈曲路径）。
-
局部响应：应变片/DIC测量数据与仿真应变场的对比。
-
失效模式：仿真预测的失效起始位置、损伤扩展路径、最终破坏形貌与实验断口观察结果对比。
-
-
不确定性量化：考虑材料参数分散性（通过少量试样测试获得），进行参数敏感性分析或基于概率的仿真，评估结果置信区间。
4.3 常见问题排查
-
过早失效：检查强度参数单位、材料方向定义、损伤演化断裂能是否过小。
-
不收敛：调整增量步策略、尝试使用显式动力学求解器、检查材料软化导致的局部化问题。
-
损伤模式异常：检查网格质量、层间相互作用定义、失效准则的适用条件。
5. 工程应用案例参考
以一个“碳纤维复合材料开孔板拉伸”为例：
-
目标：预测其极限强度及损伤演化过程。
-
实施：
-
材料：选用Hashin准则，参数来自材料供应商数据表（经基础测试复核）。
-
建模：建立含孔的平板，划分结构化网格，孔边加密。
-
分析：使用Abaqus/Explicit进行准静态分析，避免收敛困难。
-
后处理：查看DAMAGE变量云图，动画显示损伤扩展。
-
-
验证：
-
与公开文献中的实验数据对比载荷-位移曲线，误差在5%以内。
-
使用DIC（数字图像相关）技术获得的应变场与仿真云图高度吻合。
-
预测的最终破坏模式（纤维断裂位置）与实验样本一致。
-
6. 总结与最佳实践建议
-
准则选择：初步设计可用Tsai-Wu，详细分析推荐使用区分模式的Hashin或Puck准则。
-
参数重要性：纵向压缩强度、剪切强度和断裂能Gc对结果影响显著，应优先保证其准确性。
-
仿真层级：根据设计阶段选择合适模型复杂度，平衡计算成本与精度。
-
流程标准化：建立企业内部的复合材料仿真标准流程、材料数据库和验证案例库。
-
多尺度结合：微观/介观尺度的分析有助于理解失效机理和标定宏观模型参数。
-
持续更新：随着新版本发布，关注Abaqus在复合材料方面的新功能（如2022版后增强的复合材料功能）。
7. 结论
在SIMULIA/Abaqus中成功实现复合材料失效分析，是一个集材料力学、有限元方法和工程经验于一体的系统性工程。通过严格遵循“材料参数获取→模型建立→准则实现→求解计算→多层次验证”的闭环流程，工程人员能够获得可靠的分析结果，从而有效指导复合材料结构的设计、优化和失效预防，降低对物理试验的依赖，缩短研发周期，提升产品性能与安全性。
