ANSYS ACP中复合材料失效准则解读

一、复合材料有限元分析方法

复合材料可以定义为一种材料为基体，其他材料为增强体，通过一定加工方法结合在一起而形成的一种宏观（或微观）上新性能的材料。

复合材料能够在性能上对单一材料的优点进行利用，同时补短某些性能的不足，产生更好的协同效应，目前广泛应用于航空航天、汽车、游艇、风电、体育用品等领域。复合材料数值研究方法主要 有以下几种：（1）微观分析方法（Micro-Scale Approach）微观分析方法定义纤维在基体中的角度、位置、材料性能、并进行有限元计算，是最详细的复合材料计算方案。（2）宏观分析方法（Macro-Scale Approach）如果分析对象只考虑位移形变、屈曲和模态等情况，可以把复合材料结构当作各向同性的薄片壳体进行分析，因此不能进行层间的应力状态分析。（3）中尺度分析方法（Meso-Scale Approach）通过铺层设计及定义单层复材厚度、材料属性、铺层纤维角度等，进行应力、应变、层间失效等分析。ANSYS Composite Prepost（ACP）可以对中尺度复合材料结构进行数值研究和仿真分析，集成于ANSYS Workbench工作平台，包括前处理（ACP-Pre）和后处理（ACP-Post）两个模块，求解器采用ANSYS Solve进行求解。

二、复合材料失效准则

复合材料由于材料正交各向异性行为以及多种可能失效的行为，使之失效分析相对各向同性材料来说复杂的多。下面简要介绍几个常用的失效准则。

1、Maximum Stress Failure Criteria（最大应力失效准则）该理论认为各材料主应力必须小于各方向上的强度，超过相应的强度即会发生失效。所有应力相互独立，某个方向上的应力不会影响其他方向材料的强度。对于拉伸的情况： 对于压缩的情况：

式中，Xt为抗拉强度；Xc为纵向压缩强度；Yt为横向拉伸强度；Yc为横向压缩强度；S为面内剪切强度。σ1、σ2分别为材料的第一、二主方向的应力。

2、Maximum Strain Failure Criteria（最大应变失效准则） 该理论与最大应力理论相似，约束的是应变。在任何一个方向的应力分量超过相应的极限应变，失效发生。

3、Tsai-Hill Failure Criteria（蔡-希尔失效准则） 考虑多种失效模式（抗拉、压缩和剪切）的相互作用，将各向同性的Mises屈服条件推广到正交各向异性材料。

考虑只有τ12、σ1、σ2、σ3单独作用的情况，确定系数F1，…，F6，得到蔡-希尔失效准则：

式中，X、Y、S分别为单向层合板在主轴方向、单轴应力状态以及纯剪切应力状态时的极限强度。

该准则考虑了基本强度X、Y、S之间的相互作用，理论曲线和试验数据较为吻合。

4、Hoffman Failure Criteria（霍夫曼失效准则） 蔡-希尔失效准则没有考虑拉伸和压缩强度的不同，原则上只适合于正轴方向拉伸强度与压缩强度大致相同的单向复合材料。霍夫曼改进了蔡-希尔失效准则，在公式的基础上增加奇函

数项，使之适用于拉伸和压缩不同的材料，令：对平面应力条件和相对1轴的横向各向同性材料，上式简化为：

即为霍夫曼失效准则数学表达式。

5、Tsai-Wu Failure Criteria（蔡-吴失效准则） 该准则将现存的唯象论破坏准则都归于高阶张量多项式的各种特殊情况，通常取多项式的前两项。蔡-希尔和霍夫曼准则都可以看成二次张量准则多项式失效准则的特殊情况。

我们在用ANSYS ACP做复合材料数值分析时，在不求甚解的情况下，只要理解以上五种失效模式就能解决大部分问题，只要其一发生失效，既可判定复合材料结构失效。

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删