Ansys復合材料結構分析總結

1、Ansys復合材料結構分析總結說明：整理自Simwe論壇，復合材料版塊，原創(chuàng)fea_stud，大家要感謝他呀目錄1#   復合材料結構分析總結（一）概述篇5#   復合材料結構分析總結（二）建模篇10#  復合材料結構分析總結（三）分析篇13#  復合材料結構分析總結（四）優(yōu)化篇做了一年多的復合材料壓力容器的分析工作，也積累了一些分析經驗，到了總結的時候了，回想起來，總最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后選定Ansys為自己的分析工具，確實有一些東西值得和大家分享，與從事復合材料結構

2、分析的朋友門共同探討。   （一）概述篇復合材料是由一種以上具有不同性質的材料構成，其主要優(yōu)點是具有優(yōu)異的材料性能，在工程應用中典型的一種復合材料為纖維增強復合材料，這種材料的特性表現(xiàn)為正交各向異性，對于這種材料的模擬，很多的程序都提供了一些處理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相應的處理方法。筆者最初是用I-Deas下建立各項異性材料結合三維實體結構單元來模擬（由于研究對象是厚壁容器，不宜采用殼單元），分析結果還是非常好的，而且I-Deas強大的建模功能，但由于課題要求要進行壓力容器的優(yōu)化分析，而且必須要自己寫優(yōu)化程序，I-Deas的二次開發(fā)功能開放性

3、不是很強，所以改為MSC.Patran，Patran提供了一種非常好的二次開發(fā)編程語言PCL（以后在MSC的版中專門給大家貼出這部分內容），采用Patran結合Nastran的分析環(huán)境，建立了基于正交各項異性和各項異性兩種分析模型，但最終發(fā)現(xiàn)，在得到的最后結果中，復合材料層之間的應力結果始終不合理，而模型是沒有問題的（因為在I-Deas中，相同的模型結果是合理的），于是最后轉向Ansys，剛開始接觸Ansys，真有相見恨晚的感覺，豐富的單元庫，開放的二次開發(fā)環(huán)境（APDL語言），下面就重點寫Ansys的內容。在ANSYS程序中，可以通過各項異性單元（Solid 64）來模擬，另外還專門提供了一

4、類層合單元（Layer Elements）來模擬層合結構（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的復合材料。采用ANSYS程序對復合材料結構進行處理的主要問題如下：（1） 選擇單元類型 針對不同的結構和輸出結果的要求，選用不同的單元類型。 Shell 99 線性結構殼單元，用于較小或中等厚度復合材料板或殼結構，一般長度方向和厚度方向的比值大于10； Shell 91 非線性結構殼單元，這種單元支持材料的塑性和大應變行為； Shell 181 有限應變殼單元，這種單元支持幾乎所有的包括大應變在內的材料的非線性行為； Solid 46

5、 三維實體結構單元，用于厚度較大的復合材料層合殼或實體結構； Solid 191 三維實體結構單元，高精度單元，不支持材料的非線性和大變形。 （2）  定義層屬性配置主要是定義單層的層屬性，對于纖維增強復合材料，在這里可以定義單層厚度、纖維方向等。（3）  定義失效準則支持多種失效準則，不過我還是沒有用他，而是自己寫了通過應力結果采用二次蔡胡準則程序來判斷的。（4）  其他的一些建模技巧和后處理指導在我的分析工作中，主要采用了三維實體結構單元。 關于Solid 46單元（1）  Solid 46是用于模擬復合材料厚

6、殼或實體的8節(jié)點三維層合結構單元，單元節(jié)點有x,y和z方向三個結構自由度，單元允許最多250層不同的材料； （2）  這種單元的定義包括：8個節(jié)點、各層厚度、各層材料方向角和正交各項異性材料屬性，其中每層可以為面內兩個方向雙線性的不等厚層； （3）  在材料定義時，只需定義材料主方向和材料坐標系（單元坐標系）一致的材料參數(shù)，不一致的復合材料層通過定義材料方向角（該層材料主方向和材料坐標系所成的角度）由程序自動轉換； （4）  通過選擇不同的層直接在單元坐標下獲取單元應力，包括三個方向的應力和面內剪切應力，而不需要通過應力應變的轉換來獲

7、取；論壇問答：Q：ANSYS如何處理失效后的材料退化呢？A：ANSYS沒有直接提供材料失效后的退化，但可以自己寫程序讓ANSYS執(zhí)  行。  ANSYS可以用失效準則判斷材料是否失效，之后剛度降低可以通過實驗  測得。再將實驗數(shù)據(jù)輸入到ANSYS中，對失效的單元重新進行分析。 共同討論！ Ansys確實沒有直接提供材料失效后的退化的處理方法。我們在進行復合材料結構分析時，通常采用單層模量退化的估算方法，這種估算方法就是將帶有裂紋層的橫向、剪切模量與泊松系數(shù)全部用一組經過DF因子退化的新值替代，為了考慮壓縮強度的下降，對單向復

8、合材料的壓縮強度也要DF因子退化（詳細信息可以參考蔡為侖的復合材料設計一書），這樣，我們就可以再結合Ansys的APDL來處理了。建模篇復合材料是一種各向異性材料，對于纖維增強復合材料又是一種正交各向異性材料，因此，在進行復合材料結構建模的時候要特別注意的一個重要的問題，就是材料的方向性。下面，就我個人的分析經驗，對復合材料結構的建模作一個總結。1  結構坐標系、單元坐標系、材料坐標系和結果坐標系    建立復合材料結構模型，存在一個結構坐標系，用于確定幾何元素的位置，這個坐標可以是笛卡爾坐標系、柱坐標系或者是球坐標系；單元坐標系是每個單元的局部坐標系，

9、一般用來描述整個單元；材料坐標系是確定材料屬性方向的坐標系，一般沒有專門建立的材料坐標系，而是參考其他坐標系，如整體結構坐標系，或單元坐標系，在Ansys程序中，材料坐標是由單元坐標唯一確定的，要確定材料坐標，只要確定單元坐標就行了；結果坐標系是在進行結果輸出時所使用的坐標系，也是一般參考其他坐標系。在Ansys程序中，關于坐標系有人做過專門的總結。見后。2  用于復合材料結構分析的單元    用于復合材料分析的單元主要有兩類，一類是層合單元，如Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191；另一類是

10、各向異性單元，如Solid64；這些材料都有不同的處理方法，層合單元，在一個單元內可以包含多層信息，包括各層的材料、厚度和方向；各項各向異性單元，在一個單元內，只能包含一種材料信息，而且所得到的計算結果還要進行一些處理，因此有一定的局限性。3  單元坐標的一致性問題   在進行復合材料結構建模的時候，有些時候結構幾何比較復雜，很難用統(tǒng)一的坐標來確定單元坐標系，即使對一些規(guī)則的幾何（如圓桶），在用旋轉方法生成幾何時，不同的面法向也會帶來單元坐標的不一致，這就使得材料輸入的時候存在問題并使計算結果錯誤，因此，在幾何建模時要特別注意這一問題，筆者也沒有得到一些

11、復雜幾何進行單元劃分時保持單元一致的合適方法。4 一個實例5 下面的命令流顯示了不同的幾何生成方法會產生不同的單元坐標方向： /PREP7   !*Create Material* MPTEMP,   MPTEMP,1,0   MPDATA,EX,1,2.068e8 MPDATA,PRXY,1,0.29  MPTEMP,   MPTEMP,1,0   MPDATA,DENS,1,7.82e-6 !*Create Element Type* ET,1,SOLID95 KEYOP

12、T,1,1,1 KEYOPT,1,5,0 KEYOPT,1,6,0 KEYOPT,1,11,0    !* CSYS,1   HS=80 !*create two keypoints along axial K,101,0,0,0, K,102,0,0,400,   !*create keypoints K,1,61,0,0,  K,2,HS,0,0,    K,5,100,0,0, K,11,61,0,178,   K,12,HS,0,178, K,15,HS+10,0,1

13、78,   K,111,61,0,178,   K,112,HS,0,178, K,115,HS+10,0,178,   K,21,61,0,2450,  K,22,HS-4,0,2450, K,25,HS+6,0,2450,    !* !*create areas by keypoints FLST,2,4,3   FITEM,2,21   FITEM,2,111    FITEM,2,112    FITEM,

14、2,22   A,P51X   FLST,2,4,3   FITEM,2,22   FITEM,2,112   FITEM,2,115  FITEM,2,25   A,P51X   !* FLST,2,2,5,ORDE,2    FITEM,2,1    FITEM,2,-2   FLST,8,2,3   FITEM,8,101  FIT

15、EM,8,102  VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,90,1,   TYPE,   1    MAT,       1 REAL,    ESYS,       0    SECNUM,  MSHAPE,0,3D  MSHKEY,1 FLST,5,2,6,ORDE,2    FITEM,5,1 

16、60; FITEM,5,-2   CM,_Y,VOLU   VSEL, , , ,P51X  CM,_Y1,VOLU  CHKMSH,'VOLU'    CMSEL,S,_Y   VMESH,_Y1    CMDELE,_Y    CMDELE,_Y1   CMDELE,_Y2   運行上述命令流，查看一下單元坐標，再把命令流中下列部分 FLST,2,4,3   

17、;FITEM,2,21   FITEM,2,111    FITEM,2,112    FITEM,2,22   A,P51X   改為： FLST,2,4,3   FITEM,2,22   FITEM,2,21   FITEM,2,111    FITEM,2,112    A,P51X   再看一下單元坐標。ANSYS坐標系總結 工作平面（Working Plane） 工作

18、平面是創(chuàng)建幾何模型的參考(X,Y)平面，在前處理器中用來建模(幾何和網格) 總體坐標系 在每開始進行一個新的ANSYS分析時，已經有三個坐標系預先定義了。它們位于模型的總體原點。三種類型為: CS,0: 總體笛卡爾坐標系 CS,1: 總體柱坐標系 CS,2: 總體球坐標系 數(shù)據(jù)庫中節(jié)點坐標總是以總體笛卡爾坐標系，無論節(jié)點是在什么坐標系中創(chuàng)建的。 局部坐標系 局部坐標系是用戶定義的坐標系。局部坐標系可以通過菜單路徑Workplane>Local CS>Create LC來創(chuàng)建。 激活的坐標系是分析中特定時間的參考系。缺省為總體笛卡爾坐標系。當創(chuàng)建了一個新的坐標系時，新坐標系變?yōu)榧せ钭?/p>

19、標系。這表明后面的激活坐標系的命令。菜單中激活坐標系的路徑 Workplane>Change active CS to>。 節(jié)點坐標系 每一個節(jié)點都有一個附著的坐標系。節(jié)點坐標系缺省總是笛卡爾坐標系并與總體笛卡爾坐標系平行。節(jié)點力和節(jié)點邊界條件（約束）指的是節(jié)點坐標系的方向。時間歷程后處理器 /POST26 中的結果數(shù)據(jù)是在節(jié)點坐標系下表達的。而通用后處理器/POST1中的結果是按結果坐標系進行表達的。 例如: 模型中任意位置的一個圓，要施加徑向約束。首先需要在圓的中心創(chuàng)建一個柱坐標系并分配一個坐標系號碼(例如CS,11)。這個局部坐標系現(xiàn)在成為激活的坐標系。然后選擇圓上的所有節(jié)點

20、。通過使用 "Prep7>Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 選擇節(jié)點的節(jié)點坐標系的朝向將沿著激活坐標系的方向。未選擇節(jié)點保持不變。節(jié)點坐標系的顯示通過菜單路徑Pltctrls>Symbols>Nodal CS。這些節(jié)點坐標系的X方向現(xiàn)在沿徑向。約束這些選擇節(jié)點的X方向，就是施加的徑向約束。 注意：節(jié)點坐標系總是笛卡爾坐標系?？梢詫⒐?jié)點坐標系旋轉到一個局部柱坐標下。這種情況下，節(jié)點坐標系的X方向指向徑向，Y方向是周向（theta）?？墒钱斒┘觮heta方向非零位移時，ANSYS總是定義它為一個笛卡爾Y

21、位移而不是一個轉動（Y位移不是theta位移）。 單元坐標系 單元坐標系確定材料屬性的方向（例如，復合材料的鋪層方向）。對后處理也是很有用的，諸如提取梁和殼單元的膜力。單元坐標系的朝向在單元類型的描述中可以找到。 結果坐標系 /Post1通用后處理器中 (位移, 應力，支座反力)在結果坐標系中報告，缺省平行于總體笛卡爾坐標系。這意味著缺省情況位移，應力和支座反力按照總體笛卡爾在坐標系表達。無論節(jié)點和單元坐標系如何設定。要恢復徑向和環(huán)向應力，結果坐標系必須旋轉到適當?shù)淖鴺讼迪隆＿@可以通過菜單路徑Post1>Options for output實現(xiàn)。 /POST26時間歷程后處理器中的結果總

22、是以節(jié)點坐標系表達。 顯示坐標系 顯示坐標系對列表圓柱和球節(jié)點坐標非常有用(例如, 徑向，周向坐標)。建議不要激活這個坐標系進行顯示。屏幕上的坐標系是笛卡爾坐標系。顯示坐標系為柱坐標系，圓弧將顯示為直線。這可能引起混亂。因此在以非笛卡爾坐標系列表節(jié)點坐標之后將顯示坐標系恢復到總體笛卡爾坐標系。 分析篇下面就我對碳纖維增強復合材料壓力容器分析過程中所做的工作，從復合材料材料參數(shù)轉化、復合材料強度準則、結構剛強度分析幾方面寫些我的心得，與大家共同探討。 1  復合材料材料參數(shù)的轉化 單向纖維增強復合材料（也稱單向板）是指纖維按照同一方向平行排列的復合材料，是構成層合板和殼的基本

23、元素，可認為是一種正交各向異性材料，也是一種橫觀各向同性材料（存在一個各向同性面），在進行有限元計算時，必須知道復合材料的彈性特性參數(shù)，并由彈性特性參數(shù)來計算正交各向異性材料的9個參數(shù)（在ANSYS程序中定義材料時所需3個彈性模量、3個泊松系數(shù)和3個剪切模量），單向復合材料特性的計算有許多種方法，主要的方法有Halpin-Tai的彈性力學方法，這種方法根據(jù)彈性理論將復雜的纖維與樹脂間的關系用一組方程來表示，通過求解方程組，解得彈性參數(shù)，我們使用的9個彈性參數(shù)的計算是通過單向復合材料的剛度矩陣轉化得到，下面是用APDL語言編寫的材料轉化程序。 MAT_PAR_COMP !* !*this mac

24、ro is used to calculate material parameters of composite !* E1=1.81E8 E2=1.03E7 V21=0.28 V12=E2*V21/E1 V23=0.5 V32=0.5 G12=7.17E6 RM=COS(ARG1) RN=SIN(ARG1) RM2=RM*RM RM4=RM2*RM2 RN2=RN*RN RN4=RN2*RN2 RMN=RM*RN RMN2=RMN*RMN !* caculate stiffness matrice of unidirectional composite material  

25、;* VV=(1.0+V23)*(1.0-V23-2.0*V21*V12) VV=1.0/VV Q11=(1.0-V23*V32)*VV*E1 Q22=(1.0-V21*V12)*VV*E2 Q33=Q22 Q12=V21*(1.0+V23)*VV*E2 Q13=Q12 Q23=(V23+V21*V12)*VV*E2 Q44=(1.0-V23-2.0*V21*V12)*VV*E2*0.5 Q55=G12 Q66=Q55 !* calculate equivalent stiffness of composite material  * HQ11=Q11*RM4+2.0*(Q

26、12+2.0*Q66)*RMN2+Q22*RN4 HQ12=(Q11+Q22-4.0*Q66)*RMN2+Q12*(RM4+RN4) HQ13=Q13*RM2+Q23*RN2 HQ23=Q13*RN2+Q23*RM2 HQ16=-RMN*RN2*Q22+RM2*RMN*Q11-RMN*(RM2-RN2)*(Q12+2.0*Q66) HQ22=Q11*RN4+2.0*(Q12+2.0*Q66)*RMN2+Q22*RM4 HQ33=RN2*Q13+RM2*Q23 HQ33=Q33 HQ26=-RMN*RM2*Q22+RMN*RN2*Q11+RMN*(RM2-RN2)*(Q12+2.0*Q66) H

27、Q36=(Q13-Q23)*RMN HQ44=Q44*RM2+Q55*RN2 HQ45=(Q55-Q44)*RMN HQ55=Q55*RM2+Q44*RN2 HQ66=(Q11+Q22-2*Q12)*RMN2+Q66*(RM2-RN2)*(RM2-RN2) QQ11=HQ11 QQ12=HQ12 QQ22=HQ22 QQ13=HQ13 QQ23=HQ23 QQ33=HQ33 QQ44=(HQ44*HQ55-HQ45*HQ45)/HQ55 QQ55=(HQ44*HQ55-HQ45*HQ45)/HQ44 QQ66=HQ66 Q(1)=QQ11 Q(2)=QQ12 Q(3)=QQ13 Q(4)=QQ

28、22 Q(5)=QQ23 Q(6)=QQ33 Q(7)=QQ66 Q(8)=QQ44 Q(9)=QQ55 !* QQQ=Q(1)*(Q(4)*Q(6)-Q(5)*Q(5)-Q(2)*(Q(2)*Q(6)-Q(3)*Q(5)+Q(3)*(Q(2)*Q(5)-Q(3)*Q(4) S1=(Q(4)*Q(6)-Q(5)*Q(5)/QQQ S2=-(Q(2)*Q(6)-Q(3)*Q(5)/QQQ S3=(Q(2)*Q(5)-Q(3)*Q(4)/QQQ S4=(Q(1)*Q(6)-Q(3)*Q(3)/QQQ S5=-(Q(1)*Q(5)-Q(2)*Q(3)/QQQ S6=(Q(1)*Q(4)-Q(2)*Q

29、(2)/QQQ S7=1/Q(7) S8=1/Q(8) S9=1/Q(9) EEX=1/S1 EEY=1/S4 EEZ=1/S6 VXY=-S2*EEX VXZ=-S3*EEX VYZ=-S5*EEY GXY=1/S7 GYZ=1/S8 GXZ=1/S9 /EOF2  復合材料強度準則 復合材料結構的受力及應力應變情況非常復雜，并要考慮各種應力應變的耦合和相互影響，復合材料強度破壞準則基于結構的宏觀破壞，一般來說復合材料的二次蔡-吳強度破壞準則較為精確。有興趣的朋友可以參考科學出版社出版的蔡為侖先生的復合材料設計這一本書。 3  復合材料結構剛強度分析

30、一般說來，復合材料結構總是受到空間力的作用，其應力分布是三維的，因此，復合材料結構的剛強度分析一般不宜采用復合材料的板殼理論（這種理論僅考慮板殼面內的應力和橫向剪切應力，而忽略法向應力），同時，對于簡單的結構（如板、殼），可以得到彈性力學的一般解，而對于大多數(shù)結構來說，則必須用數(shù)值的方法計算，三維有限元分析是最常用的方法。采用ANSYS程序對復合材料進行剛強度分析的步驟如下： （1）  建立結構的幾何模型    由于復合材料分析單元一般都是六面體單元，因此，在建立幾何時要特別考慮到網格劃分的方便。 （2）  建立材料模型  

31、  根據(jù)復合材料材料參數(shù)建立單向復合材料材料模型，我所采用的是碳纖維增強復合材料，有兩種建立方法。 a.  若選擇單元為各向異性單元，則根據(jù)單向復合材料的剛度矩陣或柔度矩陣建立各向異性材料模型； b.  若選擇層合單元，則可以建立相關的材料模型，如單向復合材料則可以建立正交各向異性材料模型 （3）  選擇單元類型并設置相關屬性    根據(jù)結構特征和計算要求，選擇不同的單元類型并設置單元屬性（各種單元的選擇依據(jù)請參考概述篇或ANSYS幫助文件） （4）  網格劃分   

32、0;在建立的幾何實體上進行網格劃分，對于復合材料，選擇六面體三維實體單元，定義單元屬性，分別指定不同的材料屬性，并保證材料坐標一致，運用有限元網格生成器進行網格劃分。  （5）  定義邊界條件    根據(jù)實際情況定義邊界條件。 （6）  分析設定并提交計算    設定分析類型及相關一些參數(shù) （7）  結果后處理    復合材料結構的分析結果在進行后處理時，非常重要的一點是選擇合適的并與計算時所用的坐標一致的結果坐標系，如對于回轉體結構選擇計算時的柱坐標。另

33、外，對于用各向異性單元（Solid64）來模擬的計算結果在結果處理時必須保證應力應變關系的一致，主要是在不同種復合材料層間或者同一種復合材料不同鋪層方向的層之間界面的應力應變情況，ANSYS后處理中所得到的結果不完全是正確的，應該根據(jù)法向應力聯(lián)系，面內應變連續(xù)的準則來進行處理。復合材料結構分析總結（四）優(yōu)化篇與傳統(tǒng)材料相比，復合材料具有可設計性，復合材料結構的多層次性為復合材料及其結構設計帶來了極大的靈活性，復合材料的力學性能和機械性能，都可按照結構的使用要求和環(huán)境條件要求，通過組分材料的選擇匹配、鋪層設計及界面控制等材料設計手段，最大限度的達到預期目的，以滿足工程設備的使用性能，因此，在工程實踐中對復合材料結構進行優(yōu)化設計有很重要的現(xiàn)實意義，下面以我所研究的復合材料壓力容器為例，將復合材料結構優(yōu)化以及在ANSYS下的實現(xiàn)過程給大家作一個介紹。1 問題描述本文所涉及的復合材料壓力容器是帶有金屬內膽外纏碳纖維增強復合材料的復合容器，優(yōu)化問題是：以金屬內膽壁厚、復合材料各纏繞層厚度和纏繞角為設計變量，在滿足壓力容器強度（金屬內膽