复合材料分析入门：ANSYS知识普及

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复合材料结构分析总结

概述篇

复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，其主要优点是具有优异的材料性能，在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料，这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，很多的程序都提供了一些处理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。

笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟（由于研究对象是厚壁容器，不宜采用壳单元），分析结果还是非常好的，而且I-Deas强大的建模功能，但由于课题要求要进行压力容器的优化分析，而且必须要自己写优化程序，I-Deas的二次开发功能开放性不是很强，所以改为MSC.Patran，Patran提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL（以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容），采用Patran结合Nastran的分析环境，建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型，但最终发现，在得到的最后结果中，复合材料层之间的应力结果始终不合理，而模型是没有问题的（因为在I-Deas中，相同的模型结果是合理的），于是最后转向Ansys，刚开始接触Ansys，真有相见恨晚的感觉，丰富的单元库，开放的二次开发环境（APDL语言），下面就重点写Ansys的内容。 在ANSYS程序中，可以通过各项异性单元（Solid 64）来模拟，另外还专门提供了一类层合单元（Layer Elements）来模拟层合结构（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的复合材料。

采用ANSYS程序对复合材料结构进行处理的主要问题如下：

1）  选择单元类型 针对不同的结构和输出结果的要求，选用不同的单元类型。

Shell 99 —— 线性结构壳单元，用于较小或中等厚度复合材料板或壳结构，一般长度方向和厚度方向的比值大于10；

Shell 91 —— 非线性结构壳单元，这种单元支持材料的塑性和大应变行为；

Shell 181—— 有限应变壳单元，这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料的非线性行为；

Solid 46 —— 三维实体结构单元，用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构；

Solid 191—— 三维实体结构单元，高精度单元，不支持材料的非线性和大变形。

2）  定义层属性配置 主要是定义单层的层属性，对于纤维增强复合材料，在这里可以定义单层厚度、纤维方向等。

3）  定义失效准则 支持多种失效准则，不过我还是没有用他，而是自己写了通过应力结果采用二次蔡胡准则程序来判断的。

失效准则用于获知在所加载荷下，各层是否失效。用户可从三种预定义好了的失效准则中选择失效准则，或者自定义多达六种的失效准则。三种预定义失效准则是：

最大应变失效准则，它允许有九个失效应变；

最大应力失效准则，它允许有九个失效应力；

Tsai-Wu失效准则，它允许有九个失效应力和三个附加的耦合系数。

失效应变、应力和耦合系数可以是与温度相关的。《ANSYS Elements Reference》中有每种准则所需数据的详细介绍。通过TB命令族或FC命令族指定失效准则。

TB命令族包括TB、TBTEMP和TBDATA 命令(Main Menu>Preprocessor>

Material Props>Material Models>Structural> Nonlinear>Inelastic>Non-Metal Plasticity>Failure Criteria)。

其典型的命令流如下：    

TB,FAIL,1,2  ! Data table for failure criterion, material 1,

!  no. of temperatures = 2

TBTEMP,,CRIT  ! Failure criterion key

TBDATA,2,1  ! Maximum Stress Failure Criterion (Const. 2 = 1)

TBTEMP,100   ! Temperature for subsequent failure properties

TBDATA,10,1500,,40,,10000  ! X, Y, and Z failure tensile stresses (Z value

!  set to a large number)

TBDATA,16,200,10000,10000  ! XY, YZ, and XZ failure shear stresses

TBLIST

TBTEMP,200  ! Second temperature

TBDATA,...    

有关TB, TBTEMP, TBDATA 和 TBLIST 命令见《ANSYS Commands Reference》。

FC命令族包括FC、FCDELE和FCLIST命令（Main Menu>Preprocessor>

Material Props>Material Models>Structural> Nonlinear>Inelastic>Non-Metal Plasticity>Failure Criteria 和 Main Menu>General Postprocessor>

Failure Criteria)，其典型的命令流如下：

FC,1,TEMP,,  100,  200  !  Temperatures

FC,1,S,XTEN, 1500,  1200  !  Maximum stress components

FC,1,S,YTEN,  400,  500

FC,1,S,ZTEN,10000,  8000

FC,1,S,XY  ,  200,  200

FC,1,S,YZ  ,10000,  8000

FC,1,S,XZ  ,10000,  8000

FCLIST,  ,100  !  List status of Failure Criteria at 100.0 degrees

FCLIST,  ,150  !  List status of Failure Criteria at 150.0 degrees

FCLIST,  ,200  !  List status of Failure Criteria at 200.0 degrees

PRNSOL,S,FAIL  !  Use Failure Criteria

注意—TB命令（TB，TBTEMP和TBDATA）仅适用于SHELL91、SHELL99、SOLID46或SOLID191，而FC和FCLIST命令适用于所有的二维或三维结构实体单元和三维壳单元。

定义失效准则的一些注意事项：

失效准则是正交各向异性的，因此用户必须输入所有方向上的失效应力或失效应变值(在压缩值等于拉伸值时例外)；

如果不希望在某个特定的方向上检查失效应力或失效应变，则在那个方向上定义一个大值(如前面命令流中那样)。

用户可通过用户子程序 USRFC1 到 USRFC6 自定义失效准则。这些子程序应事先与 ANSYS 程序作联接。见《ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide》中有关用户编程功能的说明。（4）  其他的一些建模技巧和后处理指导 适用于复合材料结构分析的单元类型

针对复合材料结构分析，Ansys程序中提供了7种单元类型，分别是SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186、SOLID191单元。单元类型的选择主要依据分析类型和所需的计算结果来确定。下面详细介绍每个单元类型及其应用范围。

1、 SHELL99单元

SHELL99单元为3D线性结构壳单元，包含8个节点，每个节点有6个自由度。该单元适用于薄到中等厚度的板和壳体结构，要求结构的宽（长）厚比大于10（目的使得平面应力假设能够成立）。对于宽（长）厚比小于10的结构则应考虑使用SOLID46单元建模（生成有限元模型）。SHELL99允许多达250层的等厚度材料层，或者是125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。如果材料层大于250层，用户可以通过设置keyopt(2)=3or4来定义材料矩阵。

2、SHELL91单元

SHELL91单元与SHELL99单元类似，不同之处在于它允许的复合材料最多100层，用户不能输入自定义的材料矩阵，另外，SHELL91单元支持塑性、大应变等大变形情况，并可以模拟“三明治”结构。

3、SHELL181单元

SHELL181单元是一种4节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。该单元具有包含大应变的完全非线性性能，最多允许255层复合材料，各层的信息可以通过截面相关命令输入。

4、SHELL190单元

SHELL190单元是一种4节点3D单元，每个节点有3个自由度。该单元具有包含大应变性能，最多允许255层复合材料，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，各层的信息可以通过截面相关命令输入。

5、SOLID46单元

SOLID46单元是8节点3D单元SOLID45的一种层叠形式，每个节点有3个自由度，每个单元最多允许250层的等厚度复合材料，同样允许125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。该单元的另一个特点是可以用几个单元叠加的方式对多于250层的复合材料建模并允许沿厚度方向的横向变形斜率可以不连续，而且用户可以输入自定义的本构矩阵。于8节点壳单元相比，SOLID46单元的阶次要低，因此，在壳结构分析中要得到与SHELL99或SHELL91单元相同的求解结果，需要更密的网格。

关于Solid 46单元：

1）  Solid 46是用于模拟复合材料厚壳或实体的8节点三维层合结构单元，单元节点有x,y和z方向三个结构自由度，单元允许最多250层不同的材料；

2）  这种单元的定义包括：8个节点、各层厚度、各层材料方向角和正交各项异性材料属性，其中每层可以为面内两个方向双线性的不等厚层；

3）  在材料定义时，只需定义材料主方向和材料坐标系（单元坐标系）一致的材料参数，不一致的复合材料层通过定义材料方向角（该层材料主方向和材料坐标系所成的角度）由程序自动转换；

4）  通过选择不同的层直接在单元坐标下获取单元应力，包括三个方向的应力和面内剪切应力，而不需要通过应力应变的转换来获取；

6、SOLID186单元

SOLID186单元是20节点3D实体单元，每个节点有3个自由度。每个单元最多允许有250层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，支持材料的非线性行为和大变形。

7、SOLID191单元

SOLID191单元是20节点3D实体单元SOLID195的一种层叠形式，每个节点有3个自由度。每个单元最多允许有100层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续。SHELL191单元不支持材料的非线性行为和大变形。

8、其他

除上述单元外，还有其它的一些具有层功能的单元：

SOLID95 是20节点的结构实体单元，在KEYOPT(1)=1时，其作用与单层的SOLID191单元类似，包括应用方位角和失效准则，还允许非线性材料和大挠度。

SHELL63 是四节点壳单元，可用于对“三明治”壳结构作粗糙、近似的计算。象两块金属片之间夹有一层聚合物的问题就很典型，此时聚合物的弯曲刚度相对于金属片的弯曲刚度来说是一个小量。用户可以用实常数 RMI 来修正单元的弯曲刚度，使其等效于由金属片引起的弯曲刚度。从中面到外层纤维的距离(实常数 CTOP 和 CBOT)可用来获得“三明治”壳的表层输出应力。这种单元不如 SHELL91 、SHELL99 和 SHELL181 那样用得频繁，故后面不再论述。

SOLID65 是三维钢筋混凝土实体单元，可以模拟在三个用户指定方向配筋的各向同性介质。

BEAM188 和 BEAM189 为三维有限应变梁单元，其截面可以包含多种材料。

在我的分析工作中，主要采用了三维实体结构单元。

关于Solid 46单元

1）  Solid 46是用于模拟复合材料厚壳或实体的8节点三维层合结构单元，单元节点有x,y和z方向三个结构自由度，单元允许最多250层不同的材料；

2）  这种单元的定义包括：8个节点、各层厚度、各层材料方向角和正交各项异性材料属性，其中每层可以为面内两个方向双线性的不等厚层；

3）  在材料定义时，只需定义材料主方向和材料坐标系（单元坐标系）一致的材料参数，不一致的复合材料层通过定义材料方向角（该层材料主方向和材料坐标系所成的角度）由程序自动转换；

4）  通过选择不同的层直接在单元坐标下获取单元应力，包括三个方向的应力和面内剪切应力，而不需要通过应力应变的转换来获取；

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