图1展示了一个包含三层的单个复合材料铺层。每一层由均匀厚度的均质材料组成，纤维沿单一方向排列。然而，一层也可以是各向同性材料，例如泡沫芯。
图1. 一个复合材料铺层。
一层表示在复合材料制造过程中放置在模具中的单块材料。一个复合材料铺层可以在不同区域包含不同数量的层。例如，在图1中的复合材料铺层包括包含单层的区域、两层重叠的区域以及三层重叠的区域。
图2显示了与图1相同的模型，但使用复合壳体截面定义。在一个复合壳体截面内，层数不能改变。因此，需要四个具有恒定层数的复合壳体截面来定义这个简单模型。截面1包含单层，截面2和3各包含两层，而截面4包含三层。
图2. 复合壳体截面。
在 Abaqus/CAE 中设计的复合材料铺层旨在帮助您管理典型复合材料模型中的大量层。相比之下，复合截面是有限元分析的产物，可能难以应用于实际应用。除非您的模型相对简单且所有层覆盖相同的区域，否则随着层数的增加，您会发现使用复合截面定义模型变得越来越困难。添加新层或删除或重新定位现有层也可能很繁琐。
使用 Abaqus/CAE 创建复合材料铺层的过程类似于创建真实的复合零件——从基本形状开始，然后在选定区域添加不同材料和厚度的层，并定向层以在特定方向上提供最大的强度。 Abaqus/CAE 的复合材料铺层编辑器允许您轻松添加层，选择其应用的区域，指定其材料属性并定义其方向。必须在整个模型中指定唯一的层名称，以确保基于层的结果正确显示。您还可以从文本文件中的数据读取铺层中层的定义。当数据存储在电子表格中或由第三方工具生成时，这非常方便。您还可以抑制铺层中的层，并尝试添加和移除不同方向层的效果。
指定层中纤维的正确方向非常重要。 Abaqus/CAE 允许您为铺层定义参考方向，以及为铺层中的每一层定义参考方向。此外，您可以相对于层的参考方向指定纤维的方向。默认情况下，铺层的坐标系与部件的坐标系相同；类似地，层的坐标系与铺层的坐标系相同。方向定义在 理解复合材料铺层和方向中有更详细的描述。
使用复合材料铺层模拟游艇船体, 展示了如何使用 Abaqus/CAE 中的复合材料铺层功能分析复杂的三维模型。
创建复合材料铺层Abaqus/CAE 允许您为三种类型的单元定义复合材料铺层：常规壳单元、连续壳单元和实体单元。详细说明，请参阅以下章节：
- 创建常规壳单元复合材料铺层
- 创建连续壳单元复合材料铺层
- 创建实体单元复合材料铺层
您可以在 属性模块 中创建复合材料铺层。复合材料铺层编辑器提供了一个表格，用于定义铺层中的各层。对于每一层，您需要指定层的名称、材料、厚度和方向，以及积分点的数量和该层所分配到的模型区域。复合材料铺层编辑器的层表格如图1所示。
图 1. 复合材料铺层编辑器中的层表格。
层表格提供了多个选项，使您能够更轻松地定义包含多层的铺层；例如，层表格允许您执行以下操作：
- 在表格中上下移动或复制选定的层。
- 抑制或删除选定的层。
- 对选定的一组层进行模式化。
- 从或向一个 ASCII 文件读取或写入层数据。这些数据可以定义铺层中的所有层或仅定义铺层中的部分层。
抑制层的功能使您能够轻松尝试复合材料铺层中不同层配置，并查看其对模型分析结果的影响。更多信息，请参见 在定义复合材料铺层时使用层表格。
如果您正在定义一个关于中心核心对称的复合材料铺层，您只需在层表格中输入铺层的下半部分。当您应用对称选项时，Abaqus 将通过以相反顺序重复已输入的层（包括中心层）自动生成额外的层。
您可能需要对模型进行分区，以创建要分配层的区域。您应在创建铺层并开始定义层之前创建这些分区。您可以直接从当前视口中的部件中选择一个区域，或者创建一个命名集来引用该区域并选择命名集。Abaqus/CAE 如果您决定在定义复合材料铺层后添加分区和层，则会保留任何现有的层区域；例如，您可以为模拟增加区域刚度的肋添加层。您可以将分配给几何体的层和分配给原生网格的层组合在一个单一的复合材料铺层中。
连续壳单元和实体单元复合材料铺层预计在整个厚度上通过所有指定区域的组合具有单个单元。每个贯穿厚度的单个单元包含您在层表格中定义的多个层。如果分配您的连续壳单元或实体单元复合材料铺层的区域包含贯穿厚度的多个单元，则每个单元将包含您在层表格中定义的所有层，分析结果将不符合预期。
如果您的模型在某个区域的厚度上包含多个连续壳单元或实体单元，您可以通过为每层单元定义单独的复合材料铺层来获得正确的结果。您可以通过选择原生 Abaqus/CAE 网格的单元或在指定铺层区域时选择孤立单元来定义每层的复合材料铺层。您必须为每层单元创建一个铺层。
如果您的复合材料铺层中存在重叠的层，您必须按照它们在重叠区域中出现的顺序在层表格中输入这些层。图 2 展示了一个简单的重叠区域示例及其在层表格中的对应顺序。层表格中的第一层表示铺层中的最底层。
图 2. 层表格中的层顺序。
在某些情况下，Abaqus 无法确定常规壳单元复合材料层的方向。例如，如果您的层在90°的角度处发生急剧过渡，和/或您的部件与全局坐标系的一个或多个平面对齐，就会发生这种情况。为了帮助您诊断问题区域，Abaqus/CAE 绘制了一个折叠的坐标系，指示用户选择的坐标系和几何法线无法解析为有效方向的区域。如果出现这种情况，您可以通过在转换处将层拆分为多个层，并为每个新层分配方向来完成分析。
如果您应用复合材料铺层并将部分分配到同一区域，Abaqus/CAE 在分析期间仅使用来自复合材料铺层的属性。如果您将两个或多个复合材料铺层应用于重叠的区域，Abaqus/CAE 将使用最后一个铺层的属性，其中“最后一个”指的是复合材料铺层名称的字母顺序。属性模块 中的默认颜色编码使用黄色着色来指示具有重叠复合材料铺层和部分分配的区域，或指示具有多个重叠复合材料铺层的区域。
理解复合材料铺层和方向复合材料铺层中每层纤维的方向在确定模型的物理特性方面起着重要作用；然而，在基于实际应用的模型中定义这一方向并非易事。
在Abaqus/CAE中的复合材料铺层通过从三个相互关联的参数推导纤维方向，使这一过程更加可控——铺层方向、层方向和额外旋转，如图1所示。
图1. 确定层方向。
铺层方向铺层方向定义了铺层中所有层的基础或参考方向。在常规和连续壳体铺层中，Abaqus将指定的方向投影到壳体表面，将您选择的铺层方向与壳体法线对齐。在实体复合材料铺层中，方向不进行投影。
Abaqus/CAE提供了几种定义铺层方向的选项：
- 部件全局: 默认情况下，铺层方向与部件方向相同。
- 坐标系: 您可以创建并选择一个基准坐标系来定义方向。
- 离散方向: 您可以创建一个离散方向，为每个网格单元提供方向值以定义方向。
- 离散场: 您可以创建并选择一个定义空间变化方向的离散方向场。
- 用户定义: 您可以在用户子程序ORIENT中定义方向。此选项仅适用于Abaqus/Standard分析。
- 法线方向: 对于除用户定义之外的所有选项，您可以选择哪个轴定义复合材料铺层的近似法线方向。
- 附加旋转: 如果您选择坐标系、离散方向或离散场来定义铺层方向，您可以指定一个角度（以度为单位），该角度定义围绕指定法线方向的整个铺层的附加旋转。您可以使用标量离散场来指定空间变化的附加旋转角度。
层方向定义了每层的相对方向。在常规和连续壳体铺层中，Abaqus将指定的层方向投影到壳体表面，使得层法线方向与壳体法线和铺层堆叠方向对齐。在实体复合材料铺层中，层是根据铺层堆叠方向创建的，未投影的层方向定义了层内的材料方向（参见图2）。
图2. 壳体和实体复合材料铺层的层及其方向。
Abaqus/CAE根据您可以指定的两个变量组合计算层方向——坐标系(CSYS)和围绕法线方向的旋转角度。
在Abaqus/CAE尝试在复合材料铺层的奇异点处绘制层方向的坐标系时（即，无法将用户选择的坐标系和来自几何或单元的几何法线解析为有效的方向以供Abaqus/CAE显示的情况下），坐标系将以折叠状态绘制。
如果使用离散场指定了铺层方向，则无法显示铺层或层方向。对于连续壳单元，Abaqus/CAE不会将显示的方向投影到中面表面。在这两种情况下，您都可以执行数据检查并在可视化模块中查看输出数据库以验证方向。更多信息，请参见对模型执行数据检查。
坐标系Abaqus/CAE 提供了以下定义层的坐标系的选项：
- Layup: 默认情况下，层的坐标系与叠层的坐标系相同。
- CSYS: 您可以创建并选择一个基准坐标系来定义层的坐标系。如果为某一层选择了坐标系，则该坐标系将覆盖该层的叠层方向。
- 您还可以选择定义层法线方向的坐标轴。您选择的轴会显示在叠层表中 CSYS 列的最后一个数字中。例如，Datum csys1.3 表示您选择了 Datum csys-1 来定义层的坐标系，并选择了 3-axis 来定义法线方向。
旋转角度定义了每层纤维相对于层坐标系的方向。例如，在典型的复合材料中，纤维可能相对于坐标系定向为 −45° 或 +90°。您还可以使用标量离散场来指定沿层空间变化的纤维方向。如果指定了旋转角度，则层将绕坐标系法线逆时针旋转，角度相对于 1-轴测量。
图3显示了复合材料叠层中四层的方向以及叠层表中的相应条目。
图3.确定每层的方向。
Abaqus/CAE 根据以下方式确定层的方向：
- 您选择了叠层方向以定义 VerticalTape-1 的坐标系，并输入了 0° 的旋转角度。结果层的方向沿着叠层方向的 1-轴。
- 您选择了叠层方向以定义 VerticalTape-2 的坐标系，并输入了 90° 的旋转角度。结果层的方向是绕叠层方向的 3-轴（法线方向）逆时针旋转 90°。旋转角度相对于 1-轴测量。
- 您选择了 Datum csys-1 来定义 DiagonalTape-1 的坐标系，并输入了 0° 的旋转角度。结果层的方向沿着 Datum csys-1 的 1-轴。
- 您选择了 Datum csys-1 来定义 DiagonalTape-2 的坐标系，并输入了 90° 的旋转角度。结果层的方向是绕基准坐标系的 3-轴（法线方向）逆时针旋转 90°。角度相对于 1-轴测量。
复合材料铺层使用的离散场称为分布。由于分布应用于特定的单元和节点，因此只有在对部件进行网格划分后才能使用分布。 离散场是一种空间变化的场，其值与节点或单元相关联。 离散场工具集 允许您在 Abaqus/CAE 中创建和管理离散场。 在大多数情况下，您将使用第三方预处理器来操作已网格化的部件以创建可以应用于复合材料铺层的分布。
您可以使用分布来实现以下功能：
- 定义一个空间变化的局部坐标系，指定复合材料铺层的整体方向。
- 定义铺层方向的空间变化附加旋转。
- 定义单层板方向的空间变化附加旋转。您可以仅在 Abaqus/Standard 分析中使用分布来定义单层板方向。
- 定义传统壳体复合材料铺层的空间变化整体壳体厚度。
- 定义传统壳体复合材料铺层中单层板的空间变化厚度。您可以仅在 Abaqus/Standard 分析中使用分布来定义单层板厚度。
- 定义传统壳体复合材料铺层的空间变化节点厚度。
- 定义传统壳体复合材料铺层的空间变化偏移量。您可以仅在 Abaqus/Standard 分析中使用分布来定义偏移量。
当您创建一个将在分析过程中进行积分的复合材料铺层时，可以指定铺层中每一层的积分点数量。默认情况下，对于在分析过程中积分的壳体部分， Abaqus/CAE 为每个壳体或连续壳体复合材料铺层的每一层创建三个积分点，为每个实体复合材料铺层的每一层创建一个积分点。对于预积分的壳体部分， Abaqus/CAE 为铺层中的每一层创建三个积分点，并且您无法更改此值。图1显示了一个具有三层和每层三个积分点的复合材料铺层的积分点编号。
图1. 具有三层的复合材料铺层的积分点编号。
如果您不创建输出请求， Abaqus 仅从复合材料铺层的顶部和底部（最高和最低积分点）写入场输出数据，其他层不会生成任何数据。因此，如果您的模型包含复合材料铺层并且您需要来自单个层或内部积分点的数据，则必须创建新的输出请求或编辑默认输出请求并指定将输出变量的复合材料铺层。
当您创建输出请求时， Abaqus/CAE 默认情况下仅从复合材料铺层中每一层的中间部分点将场和历史数据写入输出数据库。要更改默认行为，您可以使用场和历史输出请求编辑器来编辑输出请求并将域更改为复合材料铺层。然后可以从每一层的顶部、中间和/或底部部分点、所有部分点或指定的部分点请求场或历史数据。更多信息，请参见 修改场输出请求, 和 修改历史输出请求。您可以请求以下内容：
选定Abaqus/CAE 从选定的部分点（顶部、中间和/或底部）将场数据写入输出数据库。如果一层具有偶数个部分点并且您请求从中间部分点输出， Abaqus/CAE 将从覆盖该层中间的两个部分点中较高的那个生成数据。例如，如果一层有四个部分点并且您请求从中间部分点输出， Abaqus/CAE 将从第三个部分点生成数据。
全部Abaqus/CAE 从所有层的所有部分点将场数据写入输出数据库。
指定Abaqus/CAE 从指定的部分点将场数据写入输出数据库。部分点按顺序从底层的底部编号到顶层的顶部，其中底层是铺层中的第一层。例如，如果您希望从 图1中所示的每一层的中间部分点输出，您将输入2,5,8。
查看复合材料铺层您可以在创建复合材料铺层时或在分析后查看该铺层。 Abaqus/CAE 提供了以下工具，用于基于铺层的复合材料铺层可视化：
铺层堆叠图铺层堆叠图是所选区域复合材料铺层或复合材料截面中铺层的图形表示。图1展示了一个铺层堆叠图。
图1. 铺层堆叠图。
阶梯状外观并不表示铺层中的铺层脱落；它仅仅是一种图形表示，使您能够看到铺层中的层数量，例如每层的相对厚度、构成材料以及纤维方向。如果您的复合材料铺层包含许多层，则铺层堆叠图可能会变得混乱且难以解释。为了使铺层堆叠图更易读， Abaqus/CAE 提供了选项，允许您仅查看可管理数量的铺层。
铺层堆叠图中的三轴系统代表单元方向系统，并显示壳体法线或堆叠方向（3方向）以及铺层的1和2方向。纤维始终在1–2平面内以相对于1方向的角度绘制。在实体复合材料铺层中，铺层中的纤维不一定总是与1–2平面平行（例如，如果铺层方向的3方向和单元堆叠方向未对齐）。在这种情况下，铺层堆叠图中的纤维并不是铺层中纤维的真实描绘，而是铺层定义中旋转角度的图形表示：铺层堆叠图中绘制的角度是围绕单元堆叠方向轴在铺层表中指定的旋转角度。
对于基于用户定义坐标系或旋转角度分布的铺层方向，铺层堆叠图不会绘制纤维。 Abaqus/CAE 在这些铺层上显示星号（用于坐标系）或插入符号（用于旋转角度分布），以表示无法在1–2平面中绘制准确表示铺层纤维方向的线条。同样地，如果您使用离散场分布来定义铺层厚度， Abaqus/CAE 将根据铺层中其他均匀铺层的平均厚度在铺层堆叠图中绘制铺层，并在图旁边显示离散场名称（如果启用了厚度标签）。
您可以在 属性模块 中查看复合材料铺层创建后的铺层堆叠图。您还可以在 可视化模块 中查看已分析具有复合材料铺层模型后的铺层堆叠图。
基于铺层的结果在分析具有复合材料铺层的模型后，您可以查看来自铺层中单个铺层的结果等值线图，或者可以查看一个包络等值线图，该图查找整个铺层中的最大或最小值。
来自单个铺层的结果基于铺层的结果显示复合材料铺层中选定铺层的数据。对于给定的铺层，您可以查看来自铺层底部、中间或顶部的数据，或者可以查看来自顶部和底部铺层的数据。图2展示了来自选定铺层的应变(E11)的等值线图。
图2. 来自选定铺层的等值线图。
如果在模型内的多个复合材料铺层定义中使用了相同的铺层名称，则查看该铺层的数据将显示所有包含该铺层名称的铺层结果。为了限制结果到单一铺层内的单一铺层，您必须首先使用显示组来限制显示到单个复合材料铺层（参见创建或编辑显示组的选择方法）， 然后为所需铺层中的某个截点位置绘制结果。
显示复合材料铺层顶部和底部铺层输出的等值线图根据铺层类型在外观上有所不同。在传统的壳体复合材料铺层中，两个等值线图作为单个双面壳体出现，每侧有不同的等值线图。在连续壳体复合材料铺层或实体复合材料铺层中，两个等值线图作为每个截点位置的独立单面等值线图出现。图3展示了传统壳体和连续壳体复合材料铺层等值线图之间的差异。
图3. 常规壳体和连续壳体复合层合结构的等值线图。
每个层合结构包含三层，每张图显示了顶层和底层的输出结果。应力 (S11) 在两种情况下都被绘制出来。
包络图包络图允许您查看模型中变量最高或最低值的等值线图，无论该值出现在哪一层中。与极值对应的层称为关键层。您可以选择 Abaqus/CAE 应用的标准（绝对最大值、最大值或最小值）以及 Abaqus/CAE 检查值的位置（积分点、质心或单元节点）。
例如，即使您的复合层合结构包含大量层，您也可以仅查看关键层，并确定模型中每个单元发生的最大应变。您可以决定是否通过增加特定区域中的层数或重新定向现有层来减少关键层中的应变。图4显示了模型中关键层的应变值 (E11)。
图4. 关键层中的应变值。
此外，您可以使用等值线图选项显示一个拼接等值线图，其中每个单元的颜色表示哪个层是关键层，如图5所示。
图5. 关键层。
结合图4和图5中所示的图表， 您可以确定关键层中的应变值及其在层合结构中的位置。
如果您未创建输出请求，Abaqus/CAE 仅从复合层合结构的顶层和底层写入场输出数据，其他层不会生成数据。为了创建检查模型中所有层的包络图，您必须创建新的输出请求或编辑默认输出请求，并指定复合层合结构、层和将输出变量的截面点。
在许多情况下，即使您更改了 Abaqus/CAE 检查值的位置，同一层仍然经历极值，等值线图也不会改变。然而，如果：
- 您的层数较少，且结果在层厚度方向上快速变化；或者
- 材料是非线性的，在某些条件下其刚度突然变化。
在分析复合层合结构并确定哪些区域包含关键层之后，您可以使用贯穿厚度 X–Y 图查看整个层合结构中各层的行为。您可以通过读取模型中选定壳体区域元素的截面点场输出结果来创建 X–Y 数据对象。如果您选择复合层合结构中的一个元素，Abaqus/CAE 将在整个层合结构厚度范围内为每一层的每个截面点绘制数据。 图6展示了一个贯穿厚度图，显示了纤维方向上的应变穿过13层复合层合结构的变化。由于纤维方向在层之间发生变化，应变是不连续的。
图6. 贯穿厚度 X–Y 图。
颜色编码您可以在所有 Abaqus/CAE 模块中使用颜色编码来更改各个层合结构和层的颜色。如果您选择按层进行颜色编码，Abaqus/CAE 仅在一个区域内显示一层，默认情况下是最后一层（按字母顺序排列）。要查看不同的层，您可以停用选定的层。
显示组在 可视化模块 中，您可以使用显示组来查看选定层合结构或层中的元素。
使用复合层合结构建模游艇船体, 展示了如何创建和分析复杂的三维复合模型，以及如何使用 Abaqus/CAE 查看层合结构中各个层的行为。
