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基于Python语言的复合材料结构建模程序建构及其数值模拟
资料介绍
基 金】 山西省教育科学“十二五”规划课题“基于学生需求视角的职业院校评价标准研究”(GH-13173) 2018年山西省高等职业教育骨干专业建设项目
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（完整内容请下载后查看）第 9 卷 第 5 期
2019 年 5 月
新 型 工 业 化
The Journal of New Industrialization
Vol. 9 No. 5
May 2019
文章编号：2095-6649(2019)05-0124-05
基于Python语言的复合材料结构建模
程序建构及其数值模拟
左卫刚
（山西管理职业学院信息管理系，山西 临汾 041051）
摘要: 代表性体积元法是用来分析复合材料这类多尺度、离散分布的手段，本次研究在分析复合材料增强
体集合离散分布特征基础上，引入相应的离散分布函数，采用 Python 语言顺利实现 Abaqus 二次开发，构建复
合材料结构的参数化自动生成方式。研究结果证实，采用 Python 语言及有限元软件构建的复合材料模型是可行
的，这种方式生成的模型纤维体积分数高达 65%，达到一般工艺实际要求。此外，移动窗法给出具有代表性的
体积元尺寸，其应力分布和一般设计相符合。
关键词: Python 语言；复合材料；建模；实例分析
中图分类号: TB332
本文著录格式：左卫刚. 基于 Python 语言的复合材料结构建模程序建构及其数值模拟[J]. 新型工业化，2019，
9（5）：124128
文献标志码: A
DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2019.05.025
Program Construction and Numerical Simulation of Composite Structural
Modeling Based on Python Language
ZUO Wei-gang
(Department of Information Management, Shanxi Management Vocational College, Linfen, Shanxi 041051)
Abstract: Representative volume element is a method to analyze multi-scale and discretely distributed composite materials.
Based on discrete distribution characteristics analysis of composite reinforcement assemblies, the paper introduces corresponding
discrete distribution function, realizes Abaqus secondary development with Python language successfully, and constructs automatic
parametric generation method of composite structures. Results show it is feasible to construct composite model with Pythonlan-
guage and finite element software, with model fibers volume fraction of 65%, which meets practical requirements of general process.
In addition, moving window method can give representative dimension of volume element, whose stress distribution is consistent
with general design.
Key words: Python language; Composite materials; Modeling; Case study
Citation: ZUO Wei-gang. Program Construction and Numerical Simulation of Composite Structural Modeling Based on Python
Language [J]. The Journal of New Industrialization, 2019, 9(5): 124-128
观等视角内容，这些也会在一定程度上加大问题求
0 引言
解困难。基于此，研究者根据复合材料特征提出各
种多尺度分析方法，其中，代表性体积元法因具有
算法简洁、思路清晰等优点，成为分析复合材料多
尺度问题常使用的方法。有学者研究指出，可采用
复合材料由于具有高比模、损伤容限好等优
点，得以广泛用于航空、汽车、船舶等工业领域。
但复合材料内部结构比较复杂，对其分析宏观、微
山西省教育科学“十二五”规划课题“基于学生需求视角的职业院校评价标准研究”（GH-13173）；2018年山西省高等职业教
育骨干专业建设项目（山西管理职业学院-计算机应用技术专业）
基金项目:
作者简介:
左卫刚（1982–），男，硕士，讲师，主要研究方向:计算机应用，计算机软件与理论
。
第5 期
左卫刚：基于 Python语言的复合材料结构建模程序建构及其数值模拟
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随机分布的代表体积单元预估复合材料模量、泊松
比等特点，并与实验获取的比阵列分布模型相比
较，两者结果一致[1]。有学者通过随机蓄力吸附算
法，生成短纤维复合材料体积单元，并对其接触、
交叉问题展开分析[2]。本次研究采用 Python 语言在
Abaqus 二次开发相应功能支持下，针对长纤维增强
结构复合材料，构建具有代表性的参数化自动生成
方法，通过实例证实其模型可行性。
1 建模平台及编程语言
Abaqus 软件作为功能强大的一种有限元软件，
支持分析复杂的固体和结构力学系统，也可以模拟
复杂模型、处理非线性问题的优点[3]。Abaqus 软件
在技术、可靠性等方面具有独特的优势，在高科技
产品研发中发挥着重要的作用，也在我国工业研究
领域得到广泛的使用。Abaqus 软件设计简洁、友好
的操作界面，使用比较方便，极易为负载模型建立
相应的模型[4]。如：对多部件问题进行处理时，可
通过下列步骤完成：为每一个部件定义相应的材料
参数，随之，将相关网格组装为完整的模型。对大
部分问题展开模拟时，用户只要提供结构的材料属
性、载荷、几何形状等数据。Abaqus 软件对非线性
问题进行处理时，通过会自动挑选最佳的载荷增量
及其收敛准则，在不断分析中恰当调整上述参数，
从而提升求解效率和分析数据精准度[5]。Abaqus 软
件分析流程见图 1。
图 1 Abaqus 软件操作流程示意图
Fig.1 Schematic diagram of Abaqus software operation process
2 RVE生成算法分析
复合材料的增强相在基体中分布展现出一定
的规律性，即：从统计学方面来说显示出周期性特
征。基于此，研究者为便于分析提出复合材料结构
有一定周期的假设，依托代表性体积元—纤维增强
复合材料代表性体积元(RVE)，从而把整个复合材
料体看作周期性排列的。
具备随机特征的代表性体积 RVE 在 Python 语
言 及 有 限 元 分 析 条 件 下 生 成 下 列 算 法 ： import
random 函数，生成相应的随机参量，首次生成（I=1）
直 接 模 型 ； 通 过 对 比 Center （ I ） 和 Center
（1）······Center（i）······Center（I）之间的距离；
If D i（s Cente（r I），Cente（r i）>R（I）+R(i)and R(i) 0,
此时，生成相应的 CAE 模型，inp else R(I)=0；判
定纤维体积分数是否满足设定值（ def ）。如果满
近些年，由于用户采用 Abaqus 软件处理问题
的能力不断提升，软件提供的功能已经无法满足需
求。例如：对复合材料的平均状态等特殊处理功能，
必须采用 Python 语言对其实施二次开发。作为面向
对象的编程设计语言，Python 语言是一种简单、功
能强大的通用性语言，它包括一组完善、便于理解
的标准库，具有高效率的数据结构，其能够胜任
大多比较常见的任务[6]。Python 语言支持动态输
入，且具有解释语言的本质，促使其在大部分平
台上多数领域均是一个比较理想的脚本，尤其适
合新开发应用程序。加之，Python 语言语法比较
简单、清晰，重视如何有效解决问题。这也充分
说明，Python 语言作为便于学习、严谨、强大的
语言，它与高性能编写程序结合起来，得以广泛
足预定值，整个循环终止操作，开启分析模块；若
满足最大的循环次数，需要退出 While 循环，循环
操作终止，将分析模块开启使用[8-9]
。
3 实例分析
针对上述算法，采用 Python 语言对 Abaqus 实
时二次开发，得到的程序界面见图 2，依据输入的
参数分布类型及参数，可以自动生产椭圆形、圆形
用在系统管理中[7]
。
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