Ansys复合材料结构分析概览：从基础到应用

做了一年多的复合材料压力容器的分析工作，也积累了一些分析经验，到了总结的时候了，回想起来，总最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后选定Ansys为自己的分析工具，确实有一些东西值得和大家分享，与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。

  （一）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。

4）  其他的一些建模技巧和后处理指导

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；

论坛问答：

Q：ANSYS如何处理失效后的材料退化呢？

A：ANSYS没有直接提供材料失效后的退化，但可以自己写程序让ANSYS执  行。  ANSYS可以用失效准则判断材料是否失效，之后刚度降低可以通过实验  测得。再将实验数据输入到ANSYS中，对失效的单元重新进行分析。

共同讨论！ Ansys确实没有直接提供材料失效后的退化的处理方法。我们在进行复合材料结构分析时，通常采用单层模量退化的估算方法，这种估算方法就是将带有裂纹层的横向、剪切模量与泊松系数全部用一组经过DF因子退化的新值替代，为了考虑压缩强度的下降，对单向复合材料的压缩强度也要DF因子退化（详细信息可以参考蔡为仑的《复合材料设计》一书），这样，我们就可以再结合Ansys的APDL来处理了。

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