基于Abaqus的随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件

复合材料研究是目前一个较为热门的方向，复合材料主要分为：①纤维增强复合材料②夹层复合材料③颗粒复合材料④混杂复合材料；对于纤维增强复合材料来说，又分为连续增强复合材料、短纤维增强复合材料。短纤维增强复合材料，其优点在于比强度高、比模量大、可设计性高、耐腐蚀、抗疲劳等，因此成为近年来的研究热门。

有限元仿真是研究材料力学性能的重要手段，而仿真的第一步即为模型的建立。由于短纤维增强复合材料的有限元模型需要考虑随机的纤维分布，如果纤维束数量较多，则手动在abaqus中直接建模工作量会过于繁重，因此本文介绍了一种基于abaqus的建模插件，可以成功快速实现随机纤维增强复合材料拉伸试样模型的建立。

接下来对随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件进行介绍

一、算法

此插件核心在于生成不相交的纤维，因此选择选用解析几何方法对随机生成的纤维是否与已经生成的纤维进行相交判断，有以下两个难点：

难点一在于纤维是有限长度，转化为数学模型即为线段之间的最小距离大于二倍纤维半径，因此应将判断分为多种情况，①直线之间最短距离为线段之间最短距离，②线段之间最短距离大于直线之间最短距离，由此进行判断纤维是否相交；

难点二在于如何生成给定纤维体积含量的模型，若直接生成足够纤维数量的模型，可能会导致纤维体积含量高或低，与预期纤维体积含量有误差，在此采用不断逼近的方法，即先生成由体积含量计算的纤维数量，由于纤维还需进行切割，因此此时的纤维体积含量肯定小于预期的纤维体积含量，接下来对此时纤维体积含量与预期纤维体积含量进行比较，若此时纤维体积含量与预期纤维体积含量之差乘试样总体积大于一个纤维体积，则继续生成纤维，若此时纤维体积含量与预期纤维体积含量之差乘试样总体积不足以生成一根纤维，则停止生成。此方法可生成与纤维体积含量及其接近的模型，对纤维长度5，纤维直径1，体积含量5%进行实验得出，纤维体积为：476.67，基体体积为9123.54，总体积为9600.21，纤维体积含量为4.96%，误差极小。

二、模型

此插件目的在于生成拉伸试样模型，拉伸试样模型尺寸如下图所示，符合JIS K7162-1994：塑料－拉伸特性的试验方法，JIS K7139-2007：塑料－多用途的试样、ISO527-2塑料-拉伸性能测定标准

插件生成模型长为170

三、插件启动方式

四、启动随机纤维增强复合材料拉伸试样建模插件，启动后界面如图所示

用户可定义：纤维长度、纤维直径、纤维体积含量（小数形式）

确认生成之前将Abaqus选至装配模块可大大加快生成速度

五、生成效果

插件可直接生成装配完成的模型

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