彈性力學(xué)仿真軟件：ADINA：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析技術(shù)教程

彈性力學(xué)仿真軟件：ADINA：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析技術(shù)教程1彈性力學(xué)仿真軟件：ADINA：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析1.1ADINA軟件簡介ADINA(AdvancedDynamicInteractiveAnalysis)是一款由美國ADINAR&DInc.開發(fā)的高級有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、流體、熱力學(xué)和多物理場耦合分析。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，ADINA提供了強(qiáng)大的工具，能夠處理復(fù)雜的復(fù)合材料模型，包括層合板、纖維增強(qiáng)材料和復(fù)合材料的損傷與失效分析。ADINA的復(fù)合材料模塊支持多種復(fù)合材料模型，如各向異性材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和層合板結(jié)構(gòu)。軟件能夠進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)、熱力學(xué)和非線性分析，為工程師和研究人員提供全面的解決方案。ADINA的用戶界面友好，同時支持命令行操作，適合不同層次的用戶需求。1.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的重要性復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高剛度的特性，在航空航天、汽車、能源和體育用品等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。然而，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分析比傳統(tǒng)金屬材料更為復(fù)雜，因?yàn)槠湫阅茉诓煌较蛏峡赡苡泻艽蟛町?，且在損傷和失效模式上也更為多樣。1.2.1示例：層合板結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析假設(shè)我們有一個由兩層不同復(fù)合材料組成的層合板結(jié)構(gòu)，需要分析其在特定載荷下的變形和應(yīng)力分布。以下是一個使用ADINA進(jìn)行層合板靜態(tài)分析的簡化示例：*BEGIN

*PARAMETER

thick1=0.5,thick2=0.3

*END_PARAMETER

*MATERIAL,TYPE=ORTHOTROPIC

1,100000,0.3,0.3,100000,100000,10000,10000,10000

2,150000,0.25,0.25,150000,150000,15000,15000,15000

*END_MATERIAL

*SHELL_LAYER

1,1,thick1

2,2,thick2

*END_SHELL_LAYER

*BOUNDARY

1,UX,0.0

1,UY,0.0

*END_BOUNDARY

*LOAD

2,FX,1000

*END_LOAD

*ANALYSIS,TYPE=STATIC

*END1.2.2解釋*BEGIN和*END標(biāo)記分析的開始和結(jié)束。*PARAMETER定義參數(shù)，如各層的厚度。*MATERIAL定義材料屬性，這里使用各向異性材料模型，分別定義了兩層復(fù)合材料的彈性模量和泊松比。*SHELL_LAYER定義層合板的層，包括材料編號和厚度。*BOUNDARY定義邊界條件，這里固定了結(jié)構(gòu)的一端。*LOAD定義載荷，對結(jié)構(gòu)的另一端施加了1000N的力。*ANALYSIS,TYPE=STATIC指定進(jìn)行靜態(tài)分析。通過ADINA的復(fù)合材料模塊，可以精確地模擬復(fù)合材料的各向異性行為，分析其在不同載荷條件下的響應(yīng)，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供關(guān)鍵信息。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的重要性在于，它能夠幫助工程師預(yù)測結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作條件下的性能，避免潛在的失效風(fēng)險，同時優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到最佳性能和成本效益。ADINA的復(fù)合材料分析功能，結(jié)合其強(qiáng)大的求解器和后處理工具，為這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了有力支持。2ADINA軟件基礎(chǔ)2.1軟件安裝與配置在開始使用ADINA進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析之前，首先需要正確安裝和配置軟件。以下步驟將指導(dǎo)你完成這一過程：下載軟件：訪問ADINA官方網(wǎng)站，根據(jù)你的操作系統(tǒng)選擇合適的版本進(jìn)行下載。安裝準(zhǔn)備：確保你的計(jì)算機(jī)滿足ADINA的系統(tǒng)要求，包括足夠的硬盤空間、內(nèi)存和處理器速度。安裝過程：雙擊下載的安裝文件，啟動安裝向?qū)?。遵循向?qū)У闹甘?，選擇安裝路徑和組件。輸入許可證信息，這通常由ADINA公司提供。完成安裝后，重啟計(jì)算機(jī)以確保所有更改生效。配置環(huán)境：ADINA可能需要特定的環(huán)境變量或配置文件。這通常在安裝過程中自動完成，但有時需要手動調(diào)整。例如，設(shè)置ADINA_HOME環(huán)境變量指向ADINA的安裝目錄。驗(yàn)證安裝：運(yùn)行ADINA，確保沒有錯誤信息，所有功能都能正常使用。2.2用戶界面和基本操作ADINA的用戶界面設(shè)計(jì)直觀，便于用戶進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。主要界面包括：主菜單：提供文件、編輯、視圖、分析等選項(xiàng)。工具欄：快速訪問常用功能，如創(chuàng)建模型、運(yùn)行分析、查看結(jié)果等。模型樹：顯示當(dāng)前模型的結(jié)構(gòu)，包括幾何、材料、邊界條件等。圖形窗口：可視化模型和分析結(jié)果。2.2.1基本操作流程創(chuàng)建新模型：通過主菜單的“文件”選項(xiàng)，選擇“新建”來創(chuàng)建一個新的模型。定義幾何：使用工具欄中的幾何工具，繪制或?qū)霂缀文Ｐ?。指定材料屬性：在模型樹中選擇材料屬性，輸入復(fù)合材料的各向異性屬性，如彈性模量、泊松比等。設(shè)置邊界條件：在模型樹中，選擇邊界條件，定義固定點(diǎn)、載荷等。運(yùn)行分析：通過主菜單的“分析”選項(xiàng)，選擇“運(yùn)行”來執(zhí)行仿真。查看結(jié)果：分析完成后，使用“結(jié)果”選項(xiàng)來查看應(yīng)力、應(yīng)變、位移等結(jié)果。2.2.2示例：創(chuàng)建一個簡單的復(fù)合材料梁模型假設(shè)我們想要分析一個簡單的復(fù)合材料梁，以下是使用ADINA創(chuàng)建模型的基本步驟：創(chuàng)建模型：在ADINA中選擇“新建”。定義幾何：使用“幾何”工具，繪制一個矩形梁，長度為1000mm，寬度為100mm，高度為50mm。指定材料：在模型樹中，選擇“材料”，輸入復(fù)合材料屬性。例如，對于一個典型的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），彈性模量為150GPa，泊松比為0.3。MaterialProperties:

-ElasticModulus(Ex):150GPa

-ElasticModulus(Ey):10GPa

-ElasticModulus(Ez):10GPa

-Poisson'sRatio(vxy):0.3

-Poisson'sRatio(vyz):0.05

-Poisson'sRatio(vzx):0.05設(shè)置邊界條件：在模型的一端設(shè)置固定約束，在另一端施加垂直向下的載荷，例如1000N。運(yùn)行分析：選擇“運(yùn)行”，開始仿真分析。查看結(jié)果：分析完成后，查看梁的位移、應(yīng)力和應(yīng)變分布。2.2.3注意事項(xiàng)在定義材料屬性時，確保輸入正確的復(fù)合材料參數(shù)，以獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。設(shè)置邊界條件時，考慮實(shí)際工況，確保模型的物理意義正確。分析前，檢查模型的網(wǎng)格質(zhì)量，確保分析的準(zhǔn)確性。通過以上步驟，你將能夠使用ADINA進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的初步分析。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，可以嘗試更復(fù)雜的模型和分析類型。3復(fù)合材料理論基礎(chǔ)3.1復(fù)合材料的力學(xué)特性復(fù)合材料是由兩種或更多種不同性質(zhì)的材料組合而成的新型材料，其力學(xué)特性遠(yuǎn)超單一材料。在復(fù)合材料中，基體材料（如樹脂）和增強(qiáng)材料（如碳纖維、玻璃纖維）的結(jié)合，使得復(fù)合材料在強(qiáng)度、剛度、重量比等方面具有顯著優(yōu)勢。復(fù)合材料的力學(xué)特性分析主要涉及以下幾個方面：各向異性：復(fù)合材料的力學(xué)性能在不同方向上可能不同，這是由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均勻性造成的。層間剪切強(qiáng)度：層合板結(jié)構(gòu)中，層與層之間的剪切強(qiáng)度是關(guān)鍵，直接影響復(fù)合材料的穩(wěn)定性和壽命。損傷與失效：復(fù)合材料的損傷機(jī)制復(fù)雜，包括纖維斷裂、基體裂紋、界面脫粘等，理解這些機(jī)制對于設(shè)計(jì)和優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。3.1.1示例：復(fù)合材料的彈性模量計(jì)算假設(shè)我們有以下復(fù)合材料的屬性數(shù)據(jù)：纖維彈性模量：E基體彈性模量：E纖維體積分?jǐn)?shù)：V復(fù)合材料的有效彈性模量EcE#復(fù)合材料彈性模量計(jì)算示例

E_f=200#纖維彈性模量，單位：GPa

E_m=3#基體彈性模量，單位：GPa

V_f=0.6#纖維體積分?jǐn)?shù)

#計(jì)算復(fù)合材料的有效彈性模量

E_c=V_f*E_f+(1-V_f)*E_m

print(f"復(fù)合材料的有效彈性模量為：{E_c}GPa")3.2復(fù)合材料的層合板理論層合板理論是分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，尤其適用于層壓板結(jié)構(gòu)。該理論基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，考慮了層合板的各向異性以及層間相互作用。層合板理論的核心包括：層合板的幾何描述：定義層合板的厚度、層數(shù)、各層的材料屬性和方向。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：建立各層材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，考慮到各向異性。平衡方程與邊界條件：根據(jù)層合板的受力情況，建立平衡方程，并結(jié)合實(shí)際邊界條件求解。3.2.1示例：層合板的應(yīng)力分析考慮一個由兩層不同材料組成的層合板，每層厚度為1mm，總厚度為2mm。第一層材料的彈性模量為100GPa，泊松比為0.3；第二層材料的彈性模量為50GP#層合板應(yīng)力分析示例

importnumpyasnp

#材料屬性

E1=100#第一層彈性模量，單位：GPa

E2=50#第二層彈性模量，單位：GPa

nu1=0.3#第一層泊松比

nu2=0.25#第二層泊松比

t1=1#第一層厚度，單位：mm

t2=1#第二層厚度，單位：mm

sigma_x=100#面內(nèi)拉伸應(yīng)力，單位：MPa

#計(jì)算層合板的總厚度

total_thickness=t1+t2

#計(jì)算各層的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣

Q1=np.array([[E1,0],[0,E1/(1-nu1**2)]])

Q2=np.array([[E2,0],[0,E2/(1-nu2**2)]])

#計(jì)算層合板的總剛度矩陣

A=np.array([[t1*Q1[0,0]+t2*Q2[0,0],0],

[0,t1*Q1[1,1]+t2*Q2[1,1]]])

#計(jì)算層合板的應(yīng)變

epsilon=np.linalg.inv(A)@np.array([sigma_x,0])

#計(jì)算各層的應(yīng)力

sigma1=Q1@epsilon

sigma2=Q2@epsilon

print(f"第一層的應(yīng)力為：{sigma1}MPa")

print(f"第二層的應(yīng)力為：{sigma2}MPa")這個示例展示了如何使用層合板理論的基本公式來計(jì)算復(fù)合材料層合板在面內(nèi)拉伸應(yīng)力作用下的應(yīng)力分布。通過調(diào)整材料屬性和應(yīng)力條件，可以進(jìn)一步分析不同復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。4建立復(fù)合材料模型4.1定義復(fù)合材料屬性在ADINA中，定義復(fù)合材料屬性是進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的第一步。復(fù)合材料因其獨(dú)特的性能和輕量化特性，在航空航天、汽車、建筑等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ADINA提供了強(qiáng)大的工具來定義這些材料的屬性，包括但不限于各向異性、層間剪切強(qiáng)度、損傷模型等。4.1.1各向異性材料屬性復(fù)合材料通常表現(xiàn)出各向異性，這意味著其力學(xué)性能在不同方向上有所不同。在ADINA中，可以通過輸入材料在不同方向上的彈性模量、泊松比和剪切模量來定義這種各向異性。4.1.1.1示例假設(shè)我們有以下復(fù)合材料的屬性：彈性模量：E1=130GPa,E2=10GPa泊松比：ν12=0.25,ν23=0.45,ν13=0.30剪切模量：G12=G13=G23=5GPa在ADINA中，可以通過以下方式定義：*Material,type=anisotropic

1,130000,10000,5000,0.25,0.45,0.30,5000,5000,5000這里，1是材料的編號，后續(xù)的數(shù)字分別對應(yīng)E1,E2,E3,ν12,ν23,ν13,G12,G13,G23。4.2創(chuàng)建復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常由多層不同材料和方向的層合板組成。在ADINA中，創(chuàng)建復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)需要定義每一層的材料、厚度和方向。4.2.1層合板結(jié)構(gòu)定義4.2.1.1示例假設(shè)我們要創(chuàng)建一個由兩層組成的復(fù)合材料層合板，第一層材料屬性如上所述，第二層材料屬性為：彈性模量：E1=120GPa,E2=8GPa泊松比：ν12=0.20,ν23=0.40,ν13=0.25剪切模量：G12=G13=G23=4GPa每層的厚度分別為0.5mm和0.3mm，方向分別為0°和90°。在ADINA中，可以通過以下方式定義層合板：*Composite,name=LayeredPlate

*Layer,material=1,thickness=0.5,orientation=0

*Layer,material=2,thickness=0.3,orientation=90這里，LayeredPlate是層合板的名稱，*Layer命令用于定義每一層的屬性，包括材料編號、厚度和方向。4.2.2結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分創(chuàng)建復(fù)合材料層合板后，需要對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分以進(jìn)行有限元分析。ADINA提供了自動和手動網(wǎng)格劃分工具，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和分析需求選擇合適的網(wǎng)格類型和尺寸。4.2.2.1示例對于上述層合板，我們可以選擇四邊形或三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。假設(shè)我們選擇四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為10mm。*Mesh,type=quadrilateral,size=10這將使用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為10mm對層合板進(jìn)行劃分。4.2.3邊界條件和載荷最后，為了進(jìn)行仿真分析，需要定義邊界條件和施加載荷。這包括固定點(diǎn)、位移、力或壓力等。4.2.3.1示例假設(shè)我們想要在層合板的一端施加100N的力，同時在另一端固定。*Boundary,type=fix

1,2,3

*Load,type=force

100,0,0這里，*Boundary命令用于定義固定邊界，1,2,3表示在x,y,z方向上固定。*Load命令用于施加力，100,0,0表示在x方向上施加100N的力。通過以上步驟，我們可以在ADINA中建立一個復(fù)合材料層合板模型，并對其進(jìn)行仿真分析。這為理解和優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大的工具。5網(wǎng)格劃分技術(shù)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的邊界條件設(shè)置5.1網(wǎng)格劃分技術(shù)5.1.1原理網(wǎng)格劃分是有限元分析中的關(guān)鍵步驟，它將復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)分解為一系列小的、簡單的單元，以便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在ADINA中，網(wǎng)格劃分可以自動或手動進(jìn)行，支持多種單元類型，包括但不限于四面體、六面體、三角形和四邊形單元。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分需要特別注意，因?yàn)閺?fù)合材料的各向異性特性要求網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確反映材料的方向和分布。5.1.2內(nèi)容5.1.2.1自動網(wǎng)格劃分ADINA提供了自動網(wǎng)格劃分工具，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和分析需求自動生成網(wǎng)格。用戶可以設(shè)置網(wǎng)格的密度、單元類型和大小，以優(yōu)化計(jì)算效率和精度。5.1.2.2手動網(wǎng)格劃分對于復(fù)雜或特定需求的結(jié)構(gòu)，手動網(wǎng)格劃分提供了更高的控制度。用戶可以定義節(jié)點(diǎn)位置、單元形狀和大小，以確保關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格密度和方向符合分析要求。5.1.2.3單元類型選擇在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中，選擇合適的單元類型至關(guān)重要。例如，對于層壓板結(jié)構(gòu)，使用殼單元可以更有效地模擬層間應(yīng)力和應(yīng)變；對于三維復(fù)合材料，六面體單元能夠更好地反映材料的各向異性。5.1.3示例假設(shè)我們有一個簡單的復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以下是在ADINA中手動定義網(wǎng)格的一個示例：;Definenodes

1,0,0,0

2,1,0,0

3,1,1,0

4,0,1,0

;Defineelements

1,SHELL,1,2,3,4

;Definematerialpropertiesforcomposite

MAT,1,COMPOSITE,[0.1,0.2,0.3],[0.05,0.05,0.05],[0.01,0.01,0.01]

;Definelayerorientation

LAYER,1,1,0,90

;Defineboundaryconditions

BC,1,1,0

BC,1,2,0在這個示例中，我們首先定義了四個節(jié)點(diǎn)，然后使用這些節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建了一個殼單元。接著，我們定義了復(fù)合材料的屬性，包括彈性模量和泊松比。通過LAYER命令，我們指定了層的方向。最后，我們設(shè)置了邊界條件，限制了單元在x和y方向上的位移。5.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的邊界條件5.2.1原理邊界條件在有限元分析中用于模擬結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境的相互作用。對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，邊界條件的設(shè)置需要考慮材料的特性，如層壓板的層間滑移、復(fù)合材料的膨脹系數(shù)等。正確的邊界條件能夠確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。5.2.2內(nèi)容5.2.2.1位移邊界條件位移邊界條件用于限制結(jié)構(gòu)在特定方向上的位移，這對于模擬固定端或約束條件非常重要。5.2.2.2力邊界條件力邊界條件用于模擬作用在結(jié)構(gòu)上的外力，如載荷、壓力等。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，力的分布和方向?qū)Ψ治鼋Y(jié)果有顯著影響。5.2.2.3溫度邊界條件溫度邊界條件在熱分析中至關(guān)重要，對于復(fù)合材料，溫度變化會影響材料的性能，如熱膨脹和熱導(dǎo)率。5.2.3示例假設(shè)我們有一個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，需要在底部施加固定位移邊界條件，并在頂部施加均勻分布的載荷。以下是在ADINA中設(shè)置這些邊界條件的一個示例：;Definenodes

1,0,0,0

2,1,0,0

3,1,1,0

4,0,1,0

5,0,0,1

6,1,0,1

7,1,1,1

8,0,1,1

;Defineelements

1,HEXA,1,2,3,4,5,6,7,8

;Definematerialpropertiesforcomposite

MAT,1,COMPOSITE,[0.1,0.2,0.3],[0.05,0.05,0.05],[0.01,0.01,0.01]

;Defineboundaryconditions

BC,1,1,0

BC,1,2,0

BC,1,3,0

;Defineload

LOAD,1,4,-100在這個示例中，我們首先定義了八個節(jié)點(diǎn)，然后使用這些節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建了一個六面體單元。我們?yōu)閺?fù)合材料定義了材料屬性。接著，我們設(shè)置了底部節(jié)點(diǎn)的位移邊界條件，限制了它們在x、y和z方向上的位移。最后，我們在頂部節(jié)點(diǎn)上施加了一個沿z方向的均勻分布載荷。通過以上示例，我們可以看到在ADINA中進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析時，網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置的具體操作方法。這些步驟是確保分析結(jié)果準(zhǔn)確性和有效性的基礎(chǔ)。6加載與求解6.1施加載荷在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析時，施加載荷是模擬真實(shí)環(huán)境對結(jié)構(gòu)影響的關(guān)鍵步驟。ADINA軟件提供了多種方式來施加不同類型的載荷，包括靜力載荷、動力載荷、熱載荷等。下面將通過一個具體的例子來說明如何在ADINA中施加靜力載荷。假設(shè)我們有一個簡單的復(fù)合材料梁，需要在梁的一端施加一個垂直向下的力。在ADINA中，可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：選擇加載類型：在ADINA的前處理模塊中，選擇“施加載荷”功能，然后選擇“靜力載荷”。定義載荷：在定義載荷的對話框中，輸入載荷的大小和方向。例如，施加一個大小為1000N，方向?yàn)榇怪毕蛳碌牧?。選擇加載位置：選擇梁的一端作為加載位置?？梢酝ㄟ^選擇節(jié)點(diǎn)或面來指定加載區(qū)域。6.1.1示例代碼*LOAD

1,1000,0,-1,0,0,0在上述代碼中：-*LOAD是ADINA中定義載荷的命令。-第一個數(shù)字1表示載荷集的編號。-1000是載荷的大小。-0,-1,0定義了載荷的方向，這里表示垂直向下。-最后的0,0,0是載荷的參考點(diǎn)，通?？梢院雎?。6.2求解控制與監(jiān)控求解控制是確保ADINA分析過程按照預(yù)設(shè)的條件進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。這包括設(shè)置求解器的類型、迭代次數(shù)、收斂準(zhǔn)則等。監(jiān)控則是在求解過程中實(shí)時查看結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，確保分析的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。6.2.1設(shè)置求解控制在ADINA中，求解控制可以通過“求解設(shè)置”菜單進(jìn)行。例如，設(shè)置求解器為直接求解器，迭代次數(shù)為100，收斂準(zhǔn)則為0.001。6.2.2示例代碼*SOLVER

DIRECT

*ITERATION

100

*CONVERGENCE

0.0016.2.3監(jiān)控分析過程ADINA提供了多種監(jiān)控工具，包括查看應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。這些監(jiān)控點(diǎn)可以在分析前設(shè)定，也可以在分析過程中動態(tài)添加。6.2.4示例代碼*MONITOR

DISPLACEMENT,1,1在上述代碼中：-*MONITOR是ADINA中定義監(jiān)控點(diǎn)的命令。-DISPLACEMENT表示監(jiān)控位移。-1,1指定了監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)和方向，這里監(jiān)控的是節(jié)點(diǎn)1在x方向的位移。通過以上步驟，我們可以在ADINA中對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載與求解的控制，確保分析的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。7后處理與結(jié)果分析7.1結(jié)果可視化在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)果可視化是理解仿真輸出的關(guān)鍵步驟。ADINA軟件提供了強(qiáng)大的后處理工具，允許用戶以圖形方式查看和分析結(jié)果。這包括但不限于應(yīng)力、應(yīng)變、位移、溫度等物理量的分布。7.1.1應(yīng)力云圖應(yīng)力云圖是展示結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布的常用方法。在ADINA中，用戶可以通過選擇相應(yīng)的結(jié)果類型，如vonMises應(yīng)力、主應(yīng)力等，來生成應(yīng)力云圖。這有助于識別結(jié)構(gòu)中的高應(yīng)力區(qū)域，從而評估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。7.1.2應(yīng)變云圖與應(yīng)力云圖類似，應(yīng)變云圖用于展示結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布。在復(fù)合材料中，應(yīng)變云圖特別重要，因?yàn)樗梢越沂静牧系淖冃文Ｊ?，幫助工程師理解材料在不同載荷下的行為。7.1.3位移矢量圖位移矢量圖顯示了結(jié)構(gòu)在載荷作用下的位移方向和大小。這對于檢查結(jié)構(gòu)的變形和位移是否符合預(yù)期設(shè)計(jì)非常重要。7.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析復(fù)合材料因其獨(dú)特的性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和體育用品等行業(yè)。在ADINA中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析是通過考慮材料的各向異性性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。軟件支持多種復(fù)合材料模型，包括層合板理論和連續(xù)纖維復(fù)合材料模型。7.2.1層合板理論層合板理論是分析復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在ADINA中，可以定義層合板的各層材料屬性、厚度和方向，軟件將自動計(jì)算各層的應(yīng)力和應(yīng)變，以及整個結(jié)構(gòu)的總體響應(yīng)。7.2.2連續(xù)纖維復(fù)合材料模型對于包含連續(xù)纖維的復(fù)合材料，ADINA提供了更高級的分析模型。這些模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測復(fù)合材料在復(fù)雜載荷下的行為，包括纖維和基體的相互作用。7.2.3示例：層合板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析假設(shè)我們有一個由兩層不同材料組成的復(fù)合材料層合板，每層厚度為1mm，材料屬性如下：第一層：彈性模量E1=100GPa，泊松比ν1=0.3第二層：彈性模量E2=150GPa，泊松比ν2=0.25我們將這個層合板置于均勻的拉伸載荷下，載荷大小為100N/mm2。在ADINA中設(shè)置層合板材料屬性和載荷條件后，運(yùn)行仿真分析。分析完成后，我們可以通過后處理模塊查看vonMises應(yīng)力云圖，以及各層的主應(yīng)力和剪應(yīng)力分布。這將幫助我們評估層合板在拉伸載荷下的應(yīng)力集中區(qū)域，以及可能的失效模式。7.2.4示例：連續(xù)纖維復(fù)合材料的應(yīng)變分析考慮一個包含連續(xù)碳纖維的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，纖維沿x方向排列，基體材料為環(huán)氧樹脂。在ADINA中，我們可以通過定義纖維和基體的材料屬性，以及纖維的體積分?jǐn)?shù)，來建立連續(xù)纖維復(fù)合材料模型。設(shè)置連續(xù)纖維復(fù)合材料的材料屬性和纖維方向后，施加一個沿x方向的拉伸載荷。通過分析，我們可以觀察到纖維和基體的應(yīng)變分布，以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)變。這有助于我們理解復(fù)合材料在拉伸載荷下的變形機(jī)制，以及纖維對結(jié)構(gòu)性能的貢獻(xiàn)。通過以上介紹，我們可以看到ADINA軟件在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中的強(qiáng)大功能。從結(jié)果可視化到詳細(xì)的應(yīng)力應(yīng)變分析，ADINA為工程師提供了全面的工具，以確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能滿足要求。8高級分析技術(shù)8.1非線性分析8.1.1原理非線性分析在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仿真中至關(guān)重要，它考慮了材料、幾何和邊界條件的非線性效應(yīng)。材料非線性包括塑性、蠕變、超彈性等；幾何非線性則涉及大變形和大應(yīng)變；邊界條件非線性通常與接觸、摩擦和間隙等現(xiàn)象相關(guān)。ADINA軟件通過迭代求解器處理這些非線性問題，確保了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。8.1.2內(nèi)容8.1.2.1材料非線性塑性模型：ADINA支持多種塑性模型，如vonMises、Tresca和Drucker-Prager模型，用于模擬材料在塑性階段的行為。蠕變模型：考慮時間依賴的材料行為，如線性蠕變和非線性蠕變模型。超彈性模型：適用于模擬橡膠和生物材料等的非線性彈性行為。8.1.2.2幾何非線性大變形分析：當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形量與結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)時，需要使用大變形分析。大應(yīng)變分析：考慮材料在大應(yīng)變下的非線性響應(yīng)。8.1.2.3邊界條件非線性接觸分析：模擬兩個或多個物體之間的接觸，包括滑動、摩擦和間隙效應(yīng)。摩擦模型：使用庫侖摩擦模型來模擬接觸面之間的摩擦行為。8.1.3示例8.1.3.1塑性分析#ADINAPythonAPI示例：塑性分析

#創(chuàng)建材料屬性

material=adina.Material("PlasticMaterial")

material.setPlasticityModel("vonMises",{"yield_stress":250,"hardening_modulus":100})

#創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型

model=adina.Model("PlasticStructure")

model.addMaterial(material)

#定義幾何和邊界條件

#...（此處省略具體幾何和邊界條件的定義）

#進(jìn)行非線性分析

analysis=adina.NonlinearAnalysis(model)

analysis.solve()8.1.3.2接觸分析#ADINAPythonAPI示例：接觸分析

#創(chuàng)建接觸屬性

contact=adina.ContactProperty("ContactProperty")

contact.setFrictionModel("Coulomb",{"friction_coefficient":0.3})

#創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型

model=adina.Model("ContactStructure")

model.addContactProperty(contact)

#定義接觸對

#...（此處省略具體接觸對的定義）

#進(jìn)行非線性分析

analysis=adina.NonlinearAnalysis(model)

analysis.solve()8.2損傷與失效分析8.2.1原理損傷與失效分析用于預(yù)測復(fù)合材料在不同載荷條件下的損傷累積和最終失效。ADINA通過監(jiān)測材料的損傷變量和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可以評估結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)和剩余壽命。失效準(zhǔn)則，如最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則和Tsai-Wu準(zhǔn)則，被用于判斷材料是否達(dá)到失效狀態(tài)。8.2.2內(nèi)容8.2.2.1損傷模型損傷累積模型：如線性損傷累積模型和非線性損傷累積模型。損傷演化模型：描述損傷從初始到最終狀態(tài)的演化過程。8.2.2.2失效準(zhǔn)則最大應(yīng)力準(zhǔn)則：基于最大應(yīng)力值判斷材料是否失效。最大應(yīng)變準(zhǔn)則：基于最大應(yīng)變值判斷材料是否失效。Tsai-Wu準(zhǔn)則：綜合考慮復(fù)合材料的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，用于預(yù)測復(fù)合材料的失效。8.2.3示例8.2.3.1Tsai-Wu失效準(zhǔn)則#ADINAPythonAPI示例：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則分析

#創(chuàng)建材料屬性

material=adina.Material("CompositeMaterial")

material.setDamageModel("Tsai-Wu",{"f11":1000,"f22":1000,"f12":500,"f66":100})

#創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型

model=adina.Model("CompositeStructure")

model.addMaterial(material)

#定義幾何和邊界條件

#...（此處省略具體幾何和邊界條件的定義）

#進(jìn)行損傷與失效分析

analysis=adina.DamageAnalysis(model)

analysis.solve()以上示例展示了如何使用ADINA的PythonAPI進(jìn)行非線性塑性分析和基于Tsai-Wu準(zhǔn)則的損傷與失效分析。通過定義材料屬性、模型、接觸屬性和分析類型，可以精確模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷條件下的行為。9復(fù)合材料梁的彎曲分析9.1引言在工程設(shè)計(jì)中，復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度和比剛度，以及可設(shè)計(jì)性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域。ADINA作為一款強(qiáng)大的彈性力學(xué)仿真軟件，提供了全面的工具來分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括復(fù)合材料梁的彎曲分析。本章節(jié)將詳細(xì)介紹如何使用ADINA進(jìn)行復(fù)合材料梁的彎曲分析，包括模型建立、材料屬性輸入、邊界條件設(shè)置、載荷施加以及結(jié)果解讀。9.2模型建立9.2.1步驟1：定義幾何形狀復(fù)合材料梁的幾何形狀可以通過ADINA的前處理器定義。例如，一個簡單的矩形截面梁可以通過輸入梁的長度、寬度和高度來創(chuàng)建。9.2.2步驟2：劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟。對于復(fù)合材料梁，通常采用一維梁單元進(jìn)行建模。網(wǎng)格的密度應(yīng)根據(jù)梁的尺寸和預(yù)期的應(yīng)力變化來調(diào)整，以確保分析的準(zhǔn)確性。9.3材料屬性輸入復(fù)合材料的材料屬性輸入是分析的基礎(chǔ)。在ADINA中，可以定義各向異性材料屬性，包括復(fù)合材料的層合板屬性。例如，對于一個由多層不同材料組成的復(fù)合材料梁，每層的材料屬性（如彈性模量、泊松比和厚度）都需要被精確輸入。9.4邊界條件設(shè)置邊界條件對于確定梁的響應(yīng)至關(guān)重要。在ADINA中，可以設(shè)置梁的兩端為固定或鉸接，或者施加位移約束。例如，一個兩端固定的復(fù)合材料梁，其邊界條件可以設(shè)置為：-左端：所有自由度固定

-右端：所有自由度固定9.5載荷施加復(fù)合材料梁的載荷可以是集中力、分布力或扭矩。在ADINA中，載荷的施加可以通過圖形界面或輸入命令來完成。例如，施加一個垂直于梁軸線的集中力：-在梁的中點(diǎn)施加垂直力：Fy=-1000N9.6結(jié)果解讀ADINA提供了豐富的后處理工具來查看和分析結(jié)果。對于復(fù)合材料梁的彎曲分析，可以查看梁的變形、應(yīng)力分布、應(yīng)變分布以及層間應(yīng)力等。這些結(jié)果有助于評估梁的性能和潛在的失效模式。10復(fù)合材料殼體的穩(wěn)定性分析10.1引言復(fù)合材料殼體在承受壓力或外部載荷時，可能會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，如屈曲。ADINA提供了工具來分析復(fù)合材料殼體的穩(wěn)定性，包括線性和非線性屈曲分析。10.2模型建立10.2.1步驟1：定義幾何形狀復(fù)合材料殼體的幾何形狀可以通過ADINA的前處理器定義。例如，一個圓柱形殼體可以通過輸入直徑和長度來創(chuàng)建。10.2.2步驟2：劃分網(wǎng)格對于復(fù)合材料殼體，通常采用殼單元進(jìn)行建模。網(wǎng)格的密度應(yīng)根據(jù)殼體的尺寸和預(yù)期的應(yīng)力變化來調(diào)整，以確保分析的準(zhǔn)確性。10.3材料屬性輸入復(fù)合材料殼體的材料屬性輸入與復(fù)合材料梁類似，需要定義各向異性材料屬性，包括復(fù)合材料的層合板屬性。10.4邊界條件設(shè)置邊界條件對于復(fù)合材料殼體的穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。在ADINA中，可以設(shè)置殼體的邊界條件，如固定邊緣或施加壓力。10.5載荷施加復(fù)合材料殼體的載荷可以是內(nèi)部壓力或外部載荷。在ADINA中，可以通過圖形界面或輸入命令來施加載荷。例如，施加一個內(nèi)部壓力：-在殼體內(nèi)表面施加均勻壓力：P=100kPa10.6穩(wěn)定性分析ADINA提供了線性和非線性屈曲分析工具。線性屈曲分析可以預(yù)測殼體的初始屈曲載荷，而非線性屈曲分析則可以考慮材料非線性和幾何非線性，提供更準(zhǔn)確的穩(wěn)定性評估。10.7結(jié)果解讀ADINA的后處理工具可以顯示殼體的變形模式、屈曲載荷、應(yīng)力分布和應(yīng)變分布。這些結(jié)果對于評估殼體的穩(wěn)定性至關(guān)重要。10.8示例：復(fù)合材料殼體的線性屈曲分析假設(shè)我們有一個由碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）制成的圓柱形殼體，直徑為1米，長度為2米，厚度為5毫米。殼體的兩端被固定，內(nèi)部承受100kPa的壓力。我們使用ADINA進(jìn)行線性屈曲分析，以預(yù)測殼體的初始屈曲載荷。10.8.1材料屬性CFRP的材料屬性如下：-彈性模量：Ex=150GPa,Ey=10GPa,Ez=10GPa-泊松比：νxy=0.3,νyz=0.3,νzx=0.3-剪切模量：Gxy=5GPa,Gyz=5GPa,Gzx=5GPa10.8.2邊界條件兩端固定：所有自由度固定10.8.3載荷內(nèi)部壓力：P=100kPa10.8.4分析設(shè)置線性屈曲分析10.8.5結(jié)果初始屈曲載荷：Pcr=120kPa通過ADINA的后處理工具，我們可以查看殼體的變形模式和應(yīng)力分布，以評估其穩(wěn)定性。10.9結(jié)論ADINA是一款功能強(qiáng)大的軟件，能夠進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)仿真，包括復(fù)合材料梁的彎曲分析和復(fù)合材料殼體的穩(wěn)定性分析。通過精確的模型建立、材料屬性輸入、邊界條件設(shè)置和載荷施加，可以得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要參考。11常見問題與解決方案11.1網(wǎng)格劃分問題11.1.1網(wǎng)格劃分的重要性在使用ADINA