复合材料在航空领域的应用.doc

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1、 摘要复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐腐蚀性以及材料的可设计性等优良性能，已成为新一代飞机中必不可少的材料。目前，金属工装因其热膨胀系数较大，成型的复合材料制件以不能满足要求，采用复合材料作为复材制件成型工装的材料是今后发展的趋势。由于传统工装设计以经验为主，造成工装结构不合理，降低了制件的质量，增加了生产成本。因此，优化工装结构，稳定产品质量、降低成本已成为复材制件生产中继续解决的问题。本文提出利用Python语言在ABAQUS平台上开发复材工装分析系统。在此基础上，对一套实际复材工装进行热应力分析，得到工装的整体应变云图结果。这些结果对工装的进一步结构优化提供了定量参考。关键词：复材工

2、装、ABAQUS、Python、热应力分析Thermally analyzed of composited material process equipment of aircraft based on ABAQUS simulationAbstractWith high specific strength，high specific stiffness ，erode-resistant and material designable, polymer composite material become essential in the new generation of aircraft.

3、nowadays ,the composite parts formed using metal frock with a large coefficient of thermal expansion can not meet the requirements. therefore, the uses of composite material frock forming the composite part are the development trend in the future. the traditional design of frock depends on experienc

4、es mainly. resulting in the structure of frock is unreasonable. Affecting the quality of the products and increasing the production costs. Consequently it is problem need to be solved urgently in forming composite parts such as optimization of frock structure .in this paper, composite material frock

5、 design system is programmed in ABAQUS using python language. Base on these, an actual composite material frock is thermally analyzed. These results provide quantificational reference for more optimization of frock.Keywords: composite material process equipment, ABAQUS, python, thermal analysis 前言飞机

6、复材制件的质量与其成型工装的质量息息相关。其原因在于：在产品固化过程中，外加温度场不断变化，而由于复材工装本身的结构，导致与产品直接接触的模板的温度场也在不断变化。模板各点温度不同，变形不同将影响最后产品胶接质量。因此，均匀、迅速地升温、降温都是确保复材制件质量的重要因素。 本课题利用有限元软件ABAQUS，分析工装在高温情况下局部和整体变形，分析热变形造成工装局部、整体应变分布。通过模拟分析，优化复材工装的结构，为下一步的投入生产作好充分准备，确保复材工装的质量，从而提高复材制件的成形质量。 本次研究针对成飞机的蒙皮制件，该制件采用双马树脂/碳纤维(QY8911/T300-3000-40B)

7、，成形温度为197，尺寸为2.7m2m、精度要求为-0.5mm +0.8mm、双曲面形状，从工装的设计和制造上具有一定的典型性。 军用飞机材料中的先进材料复合材料于20世纪60年代问世后，它在航空航天结构上应用带来的突出的减重效果和优越的综合性能，使其迅速成为军用飞机四大结构材料之，同时大型民用飞机正在积极将复合材料应用于主承力结构。由于复合材料在军用装备轻质化、小型化、高性能化中起着至关重要的作用，因此飞机结构上复合材料用量现已成为飞机先进性的标志之一。目录第一章 绪论51.1复合材料在航空领域的应用51.2复合材料制件成形工装的应用现状61.2.1金属工装特点71.2.2复材工装特点81.

8、3复合材料成形工装基本要求91.4本文研究意义与主要内容101.4.1研究意义101.4.2主要内容11第二章 ABAQUS的基本分析过程122.1ABAQUS/CAE简介122.2ABAQUS的功能模块13第三章 基于Python的复材工装分析系统开发163.1ABAQUS脚本语言Python概述163.2 操作的简化163.3 知识经验的集成183.4后处理的提取19第四章 复材工装分析实例分析21第五章 总结与展望345.1全文总结345.2未来展望34参考文献36第一章 绪论1.1复合材料在航空领域的应用复合材料于20世纪60年代问世后，它在航空航天结构上应用带来的突出的减重效果和优越

9、的综合性能，使其迅速成为军用飞机四大结构材料之，同时大型民用飞机正在积极将复合材料应用于主承力结构。由于复合材料在军用装备轻质化、小型化、高性能化中起着至关重要的作用，因此飞机结构上复合材料用量现已成为飞机先进性的标志之一。如图1-1所示复合材料在现代飞机上的应用已越来越广泛1。图1-1 复合材料在现代飞机上的分布图国外自1980年的F-18军机开始，最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼，而且在机身上也采用大量先进复合材料，占结构重量的25%50%，如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%，法国Rafale占40%，瑞士JAS3占30%，欧洲EF-2000则大于40%。美国的杀手锏武器B

10、2战略轰炸机占50%。表1.1给出国外军用飞机结构材料质量百分比和复合材料应用部位。表1-1 国外军用飞机结构材料质量百分比和复合材料应用部位机种首飞时间复合材料铝合金钛合金钢其他复合材料应用部位F-141969139241719硼/环氧水平安定面F-1519721.237.325.85.530.2硼/环氧尾翼安定面F-1619762643328碳/环氧（AS4/3502）F/A-18197812.1509.312.616碳/环氧机翼、尾翼AV-8B198226479153碳/环氧机翼、尾翼F-221996241536碳/环氧机翼、尾翼F/A-181998222723碳/环氧机翼尾翼B-219

11、89372723碳/环氧机翼、中机身JAS 39198830碳/环氧机翼、尾翼Rafale199124碳/双马机翼、尾翼EF20001994302512碳/双马机翼、机身Mig2919777垂尾S-37199721前掠翼、尾翼Mig1.42199416鸭翼、机翼、机身蒙皮Mig1.44200030355鸭翼、机翼、机身蒙皮所以减轻飞行器的结构重量是飞行器设计的重要目标之一。以此比强度比模量高的复合材料是飞行器理想的结构材料。在飞行器复合材料构件中，很大部分是有聚合物基复合材料构成的，这种复合材料具有比强度和比模量高，耐疲劳性能好，减震性好，过载时安全性好，耐热性能好，各向异性及性能可设计性和工

12、艺性好等特性2 。1.2复合材料制件成形工装的应用现状复合材料的力学性能一方面取决于组分材料和材料设计，另一方面与成型工艺过程有关。有了高质量的组分材料，并不意味着就一定能得到高质量的复合材料，其关键在于复合材料的成型工艺。另外，现今复合材料生产制造环节占复合材料制造成本的70%左右因此降低生产制造环节的成本是降低复合材料成本的重要一环。由于在复合材料制造时，制造和工装系统制件相互密切联系，很难划分他们制件的界限。因此，复合材料工装系统在制造过程中具有重要地位。1.2.1金属工装特点现阶段复合材料特别是树脂基碳纤维复合材料产品的成型工装广泛采用金属基体工装，材料为： 20钢、INVAR钢等。从

13、目前的使用情况来看，这两种材料作为复材产品成型工装的结构材料会有许多缺点和不足，其中铝材工装由于与产品的热膨胀系数相差太大，成型的复材产品质量太差已不再使用，其它材质的金属工装也存在比热容大、热变形性大和难于完全热时效等缺点，对制造大尺寸高精度复合材料制件有明显的影响，很难满足复合材料结构零件的设计和使用要求。20钢工装与Invar钢工装的优缺点如下1. 20钢工装：热膨胀系数大，成本低，密度较大，热容量大，使用寿命长。对于结构较复杂、尺寸较小的复合材料零件，成形模主要采用20钢包络板框架式焊接结构，模具材料与复合材料热膨胀系数不一致，导致复合材料制件固化后的真实尺寸比设计尺寸大；对于大型或者

14、是双曲面且曲率变化大的工装，型面一般是焊接而成，模具易漏气，达不到复合材料成形的密封要求；另外存在内应力，导致复合材料零件翘曲变形。2. Invar钢工装：Invar钢是Invariable Alloy的简称，主要的特征是在加热时膨胀系数很小，仅为2.2010-6(mm/)，远低于其它金属的膨胀系数，仅为碳钢膨胀系数的1/6。Invar钢是铁与镍等稀有金属制成的含有33%镍的合金。Invar钢材料由于自身含镍量高，具有软、粘刀等加工特点，造成的切削性能显著下降及刀具磨损大，制造加工难度很大，精度难控制。特别对于型面具有窄、深且双曲面形状的复合材料零件成形时Invar钢工装不易保证。从目前使用情

15、况来看，国内航空企业多采用热压罐固化成形系统来生产复合材料制件。适用于热压罐中加热成形复合材料的工装主要有以下几种：铝工装、钢工装、碳纤维环氧树脂复合材料工装。但现阶段复合材料特别是树脂纤维复合材料产品的成型工装广泛采用金属工装，根据热压罐成形复合材料对工装的要求对这几种材料的工装做一比较，见表1-2几种工装性能比较。表1-2 不同材料工装的典型性能比较工装材料铝钢碳纤维环氧树脂热膨胀系数（*10-6/）2412.13.6热传导率（W/m.k）172.9843.42.976密度（g/cm3）2.77.861.5材料成本低低高制作成本低较高昂贵制造难度低较大大耐久性中等好差可维修性一般一般好从表

16、1.2中所列出的数据可以看出，对于热压罐成形中温固化复合材料构件的常用的几种不同材料工装各有优缺点3-8。1.2.2复材工装特点我国从20世纪80年代开始，将复合材料应用技术研究列入重点发展领域。复合材料应用基本实现了从次承力构件到主承力构件的转变：复合材料的垂直安定面、水平尾冀、方向舵、前机身等构件已在多种型号飞机上使用，可以小批量生产。带整体油箱复合材料机翼等主承力结构已装机试飞成功。航空先进复合材料已进入实际应用阶段。预计在某型战斗机上复合材料用量将超过结构重量的25%，特别是大尺寸复合材料零部件将得到更多的应用。随着材料科学的发展，新型复合材料层出不穷，如何提高制造工艺水平，设计更合理

17、的成型工装，充分体现材料的性能指标，降低成本，扩大应用领域，已成为我们努力的方向。因此，大型复合材料工装设计制造技术成为了工装设计制造的一个迫切需要解决的难题。因此，使用复合材料作为复材制件成型工装的结构材料具有其他不可比拟的优点，可大大提高复合材料结构的质量和成品率。使用复合材料作为复材制件成型工装的构成材料是今后的发展趋势。由于复合材料成本高，复材工装的质量直接影响复材制件的质量。传统工装设计以经验为主，造成工装结构不合理，降低制件质量，增加成本。因此确保复材工装的质量是成形出合格复材制件，降低成本的重要因数，进而优化复材工装的制造工艺就具有重要意义。1.3复合材料成形工装基本要求复合材料

18、的成型时在工装中完成的，各种成型工艺对成型工装都有各自的要求，成型复合材料制件工装的基本要求：（1） 满足产品设计的精度要求，工装尺寸精度，工装材料尽可能与构件的热膨胀系数相匹配，以保证生产出的产品变形小，尺寸稳定性好；工装表面光滑、平整、密实、无缝隙、无针眼，保证产品质量；（2） 要有足够的刚度和强度，要能承受自重，制品重量、生产过程中的震动及活载荷的组合作用。对大型产品，除了满足强度要求外，刚度要求以防止工装型面基准变形，影响产品质量和工装使用寿命；（3） 良好的热传导性和热稳定性。工装要有足够的耐热性，防止加热固化变形，影响产品质量。工装加热快，可缩短工装和制件在热压罐中的固化期，还节约

19、能源；（4） 质量轻，材料来源充分。工装的设计及选材在具有足够的刚度和强度时还要考虑其运输操作方便；（5） 成本低、易于加工。工装的经济效益及加工的技术难度也是工装设计不可缺少的一个因素；维护及维修简便。要延长工装的使用寿命，工装可维修是个重要的手段。现阶段复合材料特别是树脂基碳纤维复合材料产品的成型工装广泛采用金属基体工装，材料为：铝、20钢、INVAR钢等。从目前的使用情况来看，这三种材料作为复材产品成型工装的结构材料会有许多缺点和不足，其中铝材工装由于与产品的热膨胀系数相差太大，成型的复材产品质量太差已不再使用，其它材质的金属工装也存在比热容大、热变形性大和难于完全热时效等缺点，对制造大

20、尺寸高精度复合材料制件有明显的影响，很难满足复合材料结构零件的设计和使用要求。如表1-3。表1-3 金属工装成型产品状态表工装材质成型后产品零件状态零件表面质量长度（3米）方向变化值宽度（0.6米）方向变化值扭曲变化（2米长）INVA钢T7016产品表面光滑，外形美观总长比理论值长出0.4毫米左右（合格）总宽比理论值长出0.1毫米左右 （合格）产生2.2cm左右变形（不合格）20钢产品表面有局部地方不光顺，外形不如以上美观总长比理论值长出2.1毫米左右（不合格）总宽比理论值长出0.35毫米左右（合格）产生4.75cm变形（不合格）1.4本文研究意义与主要内容1.4.1研究意义本文的研究主要是针

21、对某航空企业采用热压罐成形复材制件过程中所存在的实际需求而提出的，在成形过程中，外加温度场不断变化，模板各点温度不同，变形不同将影响最后产品胶接质量，均匀、迅捷的升温、降温都是确保复材制件质量的重要因素。复合材料价格昂贵，提高复材制件的合格率是降低生产成本的一个重要因素，而复材制件的质量与其成型工装质量有关，复合材料制造过程是提高复合材料产品质量的重要环节，且生产制造成本占复合材料产品成本中占70%左右，所以生产制造环节是提高复合材料的产品性能稳定性以及降低成本的重要环节，因此优化工艺、提高工装精度以及降低工装成本成为可待解决的问题。随着计算机技术的发展和计算机辅助工程CAE在热分析过程的广泛

22、应用，对其生产工艺可行性和合理性进行评估以成为现实。采用计算机技术将材料学、传热学和数学等多学科的知识加以集成，实现复材工装在热固成型过程的计算机模拟，从而推动复合材料成型工装的设计由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”分析，数值模拟技术是通过建立相应的数学模型，可以在昂贵费用时的工装制造之前，在计算机中对工艺的全过程进行分析。目前采用ABAQUS软件分析复合材料制件成形过程中变形的研究较少，本文利用有限元软件ABAQUS，分析工装在高温情况下局部和整体变形，分析热变形造成工装局部、整体应变分析。通过模拟分析，优化复材工装的结构，为下一步的投入生产做好充分准备，确保复材工装的质量，从而

23、提高复材制件的成形质量。1.4.2主要内容本文主要内容如下：第一章：分析介绍国内复合材料在航空领域的应用，复合材料制件成型工装的特点及应用现状，以及本课题研究的主要内容；第二章：详细阐述了使用ABAQUS分析复材工装的具体步骤；第三章：介绍面向对象语言Python与ABAQUS的关系，并针对企业实际需求，使用Python在ABAQUS平台上开发复材工装分析系统，主要包括三方面：操作的简化，知识经验的集成和后处理的提取；第四章：使用ABAQUS及所开发系统对一套复合材料进行热分析，并对结果作说明。第五章：对全文内容作总结，并对基于ABAQUS的复材工装分析作下一步展望。第二章 ABAQUS的基本

24、分析过程ABAQUS/CAE是ABAQUS的人机交互前后处理模块，提供了一个广泛的，全面的建模交互环境，利用ABAQUS/CAE可以方便、快捷地实现ABAQUS大部分的分析功能。2.1ABAQUS/CAE简介一个完整的ABAQUS有限元分析过程包括以下三个基本步骤：前处理、分析计算和后处理，这三个步骤的联系及生成的相关文件如图2-1所示。前处理ABAQUS/CAE或其他软件模拟计算ABAQUS/Stand或ABAQUS/Explicit输入文件：job.inp输出文件：job.odb,job.dat,job.res,job.fil后处理ABAQUS/CAE或其他软件图2-1 ABAQUS的分析

25、步骤1.前处理（ABAQUS/CAE） 在前处理阶段，需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件，对于一个简单的分析，可以直接用文本编辑器生成ABAQUS输入文件；但通常的做法是使用ABAQUS/CAE或其他处理程序，以图形方式生成模型。2.模拟计算（ABAQUS/Stand或ABAQUS/Explicit）模拟计算阶段使用ABAQUS/Stand或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，它通常以后台方式运行。以应力的输出为例，包括位移和应力的输出数据被保存在二进制文件中以便于后处理。完成一个求解过程所需要的时间可以从几秒到几天不等，这取决于所分析问题的复杂程

26、度和所使用计算机的运算能力。3后处理（ABAQUS/CAE）一旦完成了模拟计算并得到了位移、应力或其他基本变量后，就可以对计算结果进行评估。评估通常可以通过ABAQUS/CAE的可视化模块或其他处理软件在图形环境下交互式进行。可视化模块可以将读入的二进制输出数据库中的文件以多种方法显示结果，包括彩色等值线图、动画、变形图和X-Y曲线图等。在整个分析中ABAQUS/CAE占有重要的地位，虽然可以采用其他的方法或元件来生成输出文件和进行后处理，但是作为ABAQUS专用的前后处理器，ABAQUS/CAE在对ABAQUS各种功能的之车以及操作的方便性无疑是最优的，所以也是进行前后处理的首选工具9-11

27、。2.2ABAQUS的功能模块ABAQUS/CAE包括一系列的功能模块，每块模块包含其特定的工具。应用各模块完成分析的顺序见图2-2，图中椭圆的表示在本研究复材工装中不会用到，因为在前处理过程中由其他软件完成。Sketch(绘图)Part(部件)Property（特性）Assembly(装配)Step(分析布)Interaction(相互作用)Load(载荷)Mesh(网格)Job(分析作业)Visualization(后处理)图2-2 分析顺序图一个ABAQUS/CAE模型数据库中可以包含若干个互不相干的模型，利用环境栏中的Model列表可以在不同的模型之间切换。每一个模型中只能包含一个装配

28、体（Assembly）,装配体由若干个实例（Instance）组成。实例并不需要创建，它只是部件（part）在装配体中的一种映射，一个部件可以对应多个实例。材料（material）和截面属性（section）需要定义在部件上（其中材料定义在截面上），相互作用（interaction）、边界条件（boundary condition）、载荷（load）等定义在实例上，网格可以定义在部件上或者实例上，求解控制参数（solver controls）和输出结果的控制参数（output controls）定义在整个模型上，图2-3为ABAQUS/CAE模型数据库的结构示意图，从图中可以看出各模块之间的关

29、系12-16。载荷边界条件模型数据库（model database） 其他输出参数求解参数部件2部件1网格相互作用.实体3实体2实体（instance）1装配体（assembly）模型2模型（model）1 材料截面图2-3 ABAQUS/CAE模型数据库的结构示意图第三章 基于Python的复材工装分析系统开发ABAQUS是世界上最先进的的大型通用有限元计算分析软件之一，具有惊人的模拟能力，它拥有大量不同种类的胞元模型、材料模型等。ABAQUS/CAE模块是一个完整的ABAQUS环境，提供一个简单一致的接口，可以用来创建、提交、监视和评价ABAQUS模拟所得到的结果。Python语言是一种面

30、向对象的程序设计语言，ABAQUS的脚本接口是Python语言的一个扩展，可以利用ABAQUS脚本接口绕过ABAQUS/CAE GUI,直接对ABAQUS内核进行操作，能用Python语言编制ABAQUS脚本接口可以执行的程序。3.1ABAQUS脚本语言Python概述Python是一种模块化的可扩展语言，它功能强大，既可以用于独立的程序，也可以用于脚本程序，且适合各种领域。它含有高效率的数据结构，也是一种简单但效果明显的面向对象编程语言。Python有以下几个显著的特点：（1）面向对象（2）适应性强（3）可扩展性强（4）可移植性强（5）快速建模3.2 操作的简化当用户使用ABAQUS/CAE

31、的图形用户界面创建模型和进行可视化分析结果时，ABAQUS/CAE内在的记录每一步操作对应的命令。那些反应了用户操作的已经创建的几何体和每一个设置，以及每一个对话框中的选择。图形用户界面使用面向对象的Python语言来产生命令，再把它们发送到位于ABAQUS/CAE后面的大脑内核来执行，图形用户界面就是用户和内核进行交流的接口，ABAQUS脚本接口使得用户可以通过ABAQUS/CAE的图形用户界面直接和内核通信。包含ABAQUS脚本接口命令的文件就叫做脚本。图3-1表明ABAQUS脚本界面怎样与ABAQUS/CAE内核进行相互作用。Sectioncategoriesrootassemblyse

32、tpspartsodbpartssketchesmodelsjobsmdbarrowsField reportoptionsSession 图3-1 ABAQUS的模型对象及其内容在ABAQUS进行二次开发的时候基本上都要和Models对象打交道。它里面几乎包含了建模编程需要的所有对象类型，是主要考虑的对象类型。编好的脚本文件提给ABAQUS的执行过程为：ABAQUS自带的Python解释脚本语言；调用ABAQUS内核执行脚本语言命令；生成INP输入文件；提交给分析器进行有限元计算；生成结果文件，如图3-2.由于有限元理论认识的深奥及ABAQUS界面操作的复杂性，需要经过专业的学习才能进行实际

33、分析，对使用者要求高，ABAQUS有限元软件向二次开发者提供了大量扩展接口（API）。通过Python语言使用这些API可以完成ABAQUS/CAE能够完成的功能，包括建模、设定材料参数、截面属性、加载、设置接触、提交作业、后处理观察结果等。根据航空企业的需求，设计人员理论基础薄弱，软件操作不宜过复杂。据此，本次毕业设计使用面向对象语言Python，对非线性有限元分析软件ABAQUS的部分前处理，提交计算和后处理模块进行二次开发。绕过ABAQUS/CAE界面，直接操纵ABAQUS内核。设计人员只要指定材料属性等相关参数，然后提交作业，系统便可对工装进行热分析，并对后处理分析结果作出适当处理，这

34、样就减少设计人员在使用ABAQUS/CAE过程中的大量手工操作，降低了软件的使用难度，节省了大量时间和精力，提高工作效率。Output databaseABAQUS/STANDARD ABAQUS/EXPLICT ABAQUS/DESIGNInput fileABAQUS/CAE kernelReply filesPython interpretercommandsscriptGUICommandlineinterface(cli) 图3-2 ABAQUS执行过程3.3 知识经验的集成表3-1 T300材料属性表材料密度（g/cm3）杨氏模量Mpa泊松比热膨胀系数10-6/破坏强度MPaT30

35、01760E1=146757E2=11369E3=11369Nul2=0.3Nul3=0.3纵向：-0.54横向：10.08XT=1729,XC=1378YT=ZT=67,YC=ZC=268S12=S13=134,S23=100目前，国际上复材工装的材料一般选用碳纤维环氧树脂预浸料，常用的有牌号有T300、T700等。使用ABAQUS做工装热分析时，每次需输入材料的属性信息，而对于固定牌号的预浸料，其材料属性为固定不变的，表3-1给出了T300的材料属性。针对此种情况，在开发过程中，将常用牌号的预浸料材料属性信息作为知识集成于系统之中，这样，设计人员在使用时只要知道使用了何种预浸料，而不必输入

36、材料的属性信息，另一方面，将部分设计经验集成于系统之中，包括：工装设计原则，铺层原则，优化建议等。设计人员在设计过程中做了一些错误设计后，能够给出提示，以便及时更改。3.4后处理的提取后处理时将计算后的数据形象地显示出来供用户对计算机结果进行查看和分析。ABAQUS本身的后处理模块为用户提供了多种结果显示形式，但对于复材工装热分析来说，并不是所用结果都是需要的，我们重点关注其变形量，固只要处理与变形量相关的量，如位移、应变等。使用Python调用ABAQUS提供的方法编写程序对结果数据库进行处理。开发简单实用的后处理工具。其中关键技术有文件的读写和控制，数据的处理和结果的输出与查看等。1.文件

37、的读取和复制 经过分析计算后得到结果数据库odb文件，对后处理进行二次开发就是对odb文件的处理，有时还需要对dat文件和fil文件进行数据的读取。Odb文件的读写使用了ABAQUS中提供了odbaccess模块，文件的复制使用python语言中的shutil模块。2.数据的读取 数据读取的原理如前所述，即使用python语言通过ABAQUS的脚本接口读取odb文件中的数据，odb结构如图3-3所示。ABAQUS计算得到的数据时以面向对象的形式存储于结果数据库中的。要读取数据就要找到数据所在的路径，直接引用其中的变量或者使用数据对象的方法得到数据，供后续的处理使用。3.数据的处理 使用所设计的

38、算法对数据进行处理，包括数值运算和矢量运算等，提取用户需要的信息，这部分是后处理二次开发的核心，也是整个二次开发中程序编写的重点。4.结果的输出与查看 最后的任务是把这些处理后的数据显示出来供用户查看。如使用对象模型提供的构造方法创建一个新的场变量输出并将处理后的数据写入其中供ABAQUS/VIEWER查看，或者调用viewpoint对象显示出所需要的变量和图形，或者输出为其他形式的图表或文件等17-19。Odbstepsparts rootassemblyfieldoutputsSectioncategoriesframesframesstephistoryregionHistoryregi

39、onshistorypointshistoryoutputs图3-3 odb对象中的各个成员第四章 复材工装分析实例分析随着航空航天领域的发展，新一代飞机对复合材料构件提出了更高的性能及精度要求。这就要求复合材料工装在热成型过程中变形在规定的范围内，甚至要求其微膨胀。本章运用第二章提出的基于ABAQUS的复材工装设计方法，结合第三章所开发的分析系统，就一套实际复合材料工装，分析其在固化温度下因受热膨胀而产生的变形。基于ABAQUS的飞机复材工装仿真，应用CAD软件CATIA V5建立复材工装三维数模，在将数模导入流体分析软件（CFD）FLUENT，进行温度场模拟，最后将数模导入有限元分析软件(

40、CAE)ABAQUS，以温度场为边界条件，对模型进行相关参数设定和划分网格后进行热应力分析计算，得到工装变形与应力分布，总体过程分析如图4-1所示。CAD TO CFD结构优化CAE TO CAD应变、位移分布云图热应变分析分析热变形造成的工装局部、整体应变复材工装制造温度场模拟仿真对升温过程进行模拟仿真，分析工装在生产过程中温度场的变化复材工装设计选材、结构设计、铺层设计等 CFD TO CAE温度场图4-1 总体分析过程根据实际应用，对以上复材工装进行热分析，工装结构如图4-2所示，共分四部分：模板、支撑、底座和脚板。为保证膨胀的一致性，模板与支撑均使用树脂基碳纤维增强复合材料（牌号T30

41、0），两者之间采用胶接。底座与地脚为金属材料。模板的型面有制件外形决定，设计人员无法更改。为提高模板强度，其四周采用翻边结构，分析中为简化计算，只分析模板，由于升温速率小，对模板施加整体温度。在CATIA V5中建立模型，由于模板碎面较多，固导入Hypermesh中作修整并划分网格，最后将模板导入ABAQUS/CAE，因为模板长度远大于厚图4-2 典型复合材料工装结构度，固采用SHELL单元（此工作有他人完成）如图4-3所示。图4-3 shell单元模板此模板单层材料为T300，采用对称铺层，铺层角度：0/45/90/-45s,T300材料属性可见表3-120-21。有Hypermesh导入的

42、数模已经建立了非独立实体，模具在复合材料成型的整个过程中，根据升温曲线简化为多个静态状态，即常温和各温度点状态。分析布可以根据温度点个数设置为多个分析步，初始分析步为模具处于常温温度场，后面的各分析步模具处于整个复合材料成型过程中各温度点，重点查看固化温度下的变形情况。施加载荷为温度场，在第一个分析步中温度场的值为30，以后各分析步中温度场有FLUENT软件分析得到（此工作有他人完成），见图4-4所示。图4-4 温度场完成以上前处理后，开始ABAQUS分析热应力。启动ABAQUS,导入模板，点击Fileimportmodel,选择要导入的模板（180wan-0097.inp）,如图4-5所示：

43、图4-5 导入模板图4-6 设定材料利用Python语言开发的二次软件，进行复材热分析，点击plug-insCAC projectcomposite analyse,设计铺层的两种材料:T300、T700,如图4-6所示。图4-7 设定铺层点击step2，设定铺层材料的角度、厚度、方式（注：在设定铺层材料性质时要一步一步做），如图4-7所示：完成后点击OK。选择property模块，点击material manager，双击T300和T700, 查看T300、T700的材料属性，如图4-8所示。图4-8 材料属性选择load模块，点击creat boundary condition(创建边界条

44、件)，name默认为BC-1，category选择mechanical(物理),types for selected setp选择displacement/rotation（位移/旋转）,其他默认，如图4-9.图4-9 创建边界条件图4-10 设定模板完成后点击continue,在select regions for the boundary condition选择by angle为20，选择模板，点击done,如图4-10所示。弹出edit boundary condition(编辑边界条件)，如图4-11所示。图4-11 编辑边界条件点击creat,弹出create datum CSYS(创建坐标系).如图4-12所示。图4-12 创建坐标系Name选择默认，coordinate system type为默认rectangular,单击continue,选择模型边上，以模型的一个角为坐标原点，其他2条边为x轴、y轴，结果如图4-13所示.图4-13 坐标系完成后点击cancel，在edit boundary condition(编辑边界条件)中的CSYS选择U1/U2/UR1/UR2,如图4-14所示，点击OK完成，结果如图4-15所示。