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隨機分布單向長纖維-復合材料RVE模型-abaqus-python二次開發（上）

編輯：Python

前言

之前按照視頻教程與書籍寫了一篇小學習筆記：Abaqus-python-二次開發學習筆記-單向長纖維RVE，其中只畫出了一個纖維，而論文當中，往往是大量隨機分布的纖維構成RVE模型，如圖所示，其更能反應真實情況。本筆記對此進行了補充學習。

圖出自論文
The effects of fiber radius and fiber shape deviations and of
matrix void content on the strengths and failure mechanisms of UD
composites by computational micromechanics

本篇主要參考教程：

https://www.youtube.com/watch?v=UmTwMQDCjG4，在搜尋教程時發現，大部分復合材料RVE教程都是由該博主發布，他應該這方面的專家了，其實他有寫好的程序可以直接用，但是是40美元付費軟件，目前只能望而卻步了，還是需要自己的努力去實現。

ps.鄙人能力水平均有限，免不了做出幼稚的思考和決定，或認知不到位，望諸位和諧討論，給予批評。

問題分析

關於纖維分布

觀察上圖的RVE模型，可以看到有很多“切斷”的纖維，其上下、左右分別滿足周期性。因此在生成隨機纖維時，需要考慮中間的普通隨機分布的纖維，也需要考慮邊界上的纖維以保證周期分布。
觀察到圖中四個角落上的纖維都只具有一部分，我在此擔心後續劃分網格時如果纖維此處橫截面較小會對網格有影響，因此代碼應給予考慮。針對該問題，我在後續的代碼實現中直接避免四個角落生成纖維，四邊上的纖維也需要滿足被切割部分不至於太小的條件。

上述論文采取的是一種叫做nearest neighbor algorithm (NNA)的算法生成隨機纖維，體積含量控制在50%。
該方法放到後續再研究實現，目前而言我先采用簡單的方法去做實驗。

關於abaqusRVE

上述步驟可以在python或matlab中實現，得到纖維的中心坐標，為列表形式，再依次取出在abaqus中創建纖維即可。
此處應該考慮abaqus的代碼實現，先GUI界面進行操作，觀察代碼後再仿照去改寫。

GUI試驗

與之前的學習文章重復、不重要的內容會略過

創建部件並裝配

先畫了基體部件：Part-matrix。尺寸：50x50x5
隨便畫了幾個纖維，Part-fiber。尺寸：r=2，depth=5
如圖裝配

可以看到需要切割纖維突出的部分
.rpy文件代碼如下

from abaqus import *
from abaqusConstants import *
session.Viewport(name='Viewport: 1', origin=(0.0, 0.0), width=250.050506591797,
height=124.525001525879)
session.viewports['Viewport: 1'].makeCurrent()
session.viewports['Viewport: 1'].maximize()
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
executeOnCaeStartup()
session.viewports['Viewport: 1'].partDisplay.geometryOptions.setValues(
referenceRepresentation=ON)
# 以上代碼為打開abaqus就有的，以下是上述操作生成的
# 首先生成了一個草圖'__profile__'定義為s，將草圖的幾何、頂點、維度、約束分別給到g, v, d, c
s = mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',
sheetSize=200.0)
g, v, d, c = s.geometry, s.vertices, s.dimensions, s.constraints
# 使ConstrainedSketch對象成為當前視口中的主要對象
s.setPrimaryObject(option=STANDALONE)
# 畫一個矩形
s.rectangle(point1=(0.0, 0.0), point2=(50.0, 50.0))
# 新建一個part，是對草圖s的拉伸制作，設定深度為5.0
p = mdb.models['Model-1'].Part(name='matrix', dimensionality=THREE_D,
type=DEFORMABLE_BODY)
p = mdb.models['Model-1'].parts['matrix']
p.BaseSolidExtrude(sketch=s, depth=5.0)
# 取消ConstrainedSketch對象成為當前視口中的主要對象
s.unsetPrimaryObject()
p = mdb.models['Model-1'].parts['matrix']
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=p)
# 草圖使用完畢，刪除草圖
del mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__']
# 畫纖維，和基體類似
s1 = mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',
sheetSize=200.0)
g, v, d, c = s1.geometry, s1.vertices, s1.dimensions, s1.constraints
s1.setPrimaryObject(option=STANDALONE)
# 隨機纖維的實現將在此處進行更改纖維的坐標
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0, 2.0), point1=(2.0, 2.0))
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(50.0, 2.0), point1=(52.0, 2.0))
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0, 25.0), point1=(2.0, 25.0))
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(25.0, 25.0), point1=(27.0, 25.0))
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(50.0, 25.0), point1=(52.0, 25.0))
p = mdb.models['Model-1'].Part(name='fiber', dimensionality=THREE_D,
type=DEFORMABLE_BODY)
p = mdb.models['Model-1'].parts['fiber']
p.BaseSolidExtrude(sketch=s1, depth=5.0)
s1.unsetPrimaryObject()
p = mdb.models['Model-1'].parts['fiber']
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=p)
del mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__']
# 裝配，定義a為Assembly對象
a = mdb.models['Model-1'].rootAssembly
session.viewports['Viewport: 1'].setValues(displayedObject=a)
session.viewports['Viewport: 1'].assemblyDisplay.setValues(
optimizationTasks=OFF, geometricRestrictions=OFF, stopConditions=OFF)
a = mdb.models['Model-1'].rootAssembly
a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)
# 將前兩個part作為組裝體的實例對象
p = mdb.models['Model-1'].parts['fiber']
a.Instance(name='fiber-1', part=p, dependent=OFF)
p = mdb.models['Model-1'].parts['matrix']
a.Instance(name='matrix-1', part=p, dependent=OFF)

根據以上腳本的學習，可以做出簡化。

關於session的為視圖操作，不必要，全部移除
p = mdb.models['Model-1'].parts['fiber']這種多次出現，給予刪除

可以看到簡化後的代碼體量小了很多，在之後的代碼中，將直接展示刪減後的內容

from abaqus import *
from abaqusConstants import *
from caeModules import *
from driverUtils import executeOnCaeStartup
executeOnCaeStartup()
s = mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',
sheetSize=200.0)
s.rectangle(point1=(0.0, 0.0), point2=(50.0, 50.0))
p_m = mdb.models['Model-1'].Part(name='matrix', dimensionality=THREE_D,
type=DEFORMABLE_BODY)
p_m.BaseSolidExtrude(sketch=s, depth=5.0)
del mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__']
s1 = mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',
sheetSize=200.0)
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0, 2.0), point1=(2.0, 2.0))
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(50.0, 2.0), point1=(52.0, 2.0))
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0, 25.0), point1=(2.0, 25.0))
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(25.0, 25.0), point1=(27.0, 25.0))
s1.CircleByCenterPerimeter(center=(50.0, 25.0), point1=(52.0, 25.0))
p_f = mdb.models['Model-1'].Part(name='fiber', dimensionality=THREE_D,
type=DEFORMABLE_BODY)
p_f.BaseSolidExtrude(sketch=s1, depth=5.0)
del mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__']
a = mdb.models['Model-1'].rootAssembly
a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)
a.Instance(name='fiber-1', part=p_m, dependent=OFF)
a.Instance(name='matrix-1', part=p_f, dependent=OFF)

修剪模型

首先使用合並/切割實體，將之前的兩個實例（instance）合並成一個實例，命名為UDcomp。

a.InstanceFromBooleanMerge(name='UDcomp', instances=(a.instances['fiber-1'],
a.instances['matrix-1'], ), keepIntersections=ON,
originalInstances=SUPPRESS, domain=GEOMETRY)

模型下會自動生成一個部件，接下來雙擊UDcomp部件，使用切削命令，畫兩個矩形，進行拉伸切削。

切削後的結果：

# 選取合並體UDcomp的前面和右邊，做切割草圖的平面。
p = mdb.models['Model-1'].parts['UDcomp']
f, e = p.faces, p.edges
t = p.MakeSketchTransform(sketchPlane=f[23], sketchUpEdge=e[44],
sketchPlaneSide=SIDE1, sketchOrientation=RIGHT, origin=(25.0, 25,
5.0))
# 草圖s按照上述轉換生成位置
s = mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',
sheetSize=141.42, gridSpacing=3.53, transform=t)
# 下面這句根據猜測，為部件根據s草圖投影
p.projectReferencesOntoSketch(sketch=s, filter=COPLANAR_EDGES)
# 畫一大一小兩個矩形，作為切割使用
s.rectangle(point1=(-25.0, -25.0), point2=(25.0, 25.0))
s.rectangle(point1=(-35, -35), point2=(35, 35))
p.CutExtrude(sketchPlane=f[23], sketchUpEdge=e[44], sketchPlaneSide=SIDE1,
sketchOrientation=RIGHT, sketch=s, flipExtrudeDirection=OFF)
del mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__']

創建材料及設定截面

比較基礎，GUI步驟不做展示

mdb.models['Model-1'].Material(name='matrix')
mdb.models['Model-1'].materials['matrix'].Elastic(table=((50.0, 0.3), ))
mdb.models['Model-1'].Material(name='fiber')
mdb.models['Model-1'].materials['fiber'].Elastic(table=((273.0, 0.2), ))
mdb.models['Model-1'].HomogeneousSolidSection(name='Section-matrix',
material='matrix', thickness=None)
mdb.models['Model-1'].HomogeneousSolidSection(name='Section-fiber',
material='fiber', thickness=None)
p = mdb.models['Model-1'].parts['UDcomp']
c = p.cells
cells = c.getSequenceFromMask(mask=('[#20 ]', ), )
region = regionToolset.Region(cells=cells)
p.SectionAssignment(region=region, sectionName='Section-matrix', offset=0.0,
offsetType=MIDDLE_SURFACE, offsetField='',
thicknessAssignment=FROM_SECTION)
cells = c.getSequenceFromMask(mask=('[#1f ]', ), )
region = regionToolset.Region(cells=cells)
p.SectionAssignment(region=region, sectionName='Section-fiber', offset=0.0,
offsetType=MIDDLE_SURFACE, offsetField='',
thicknessAssignment=FROM_SECTION)

mesh

p = mdb.models['Model-1'].parts['UDcomp']
c = p.cells
cells = c.getSequenceFromMask(mask=('[#1f ]', ), )
region = regionToolset.Region(cells=cells)
p.SectionAssignment(region=region, sectionName='Section-fiber', offset=0.0,
offsetType=MIDDLE_SURFACE, offsetField='',
thicknessAssignment=FROM_SECTION)
p.seedPart(size=1.0, deviationFactor=0.1, minSizeFactor=0.1)
p = mdb.models['Model-1'].parts['UDcomp']
c = p.cells
pickedRegions = c.getSequenceFromMask(mask=('[#3f ]', ), )
p.setMeshControls(regions=pickedRegions, elemShape=WEDGE)
p = mdb.models['Model-1'].parts['UDcomp']
p.generateMesh()