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ansys复合材料分析资料.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.13M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    複合材料結構分析總結（四）——優化篇
    做了一年多的複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，總最初採用 I-deas，到 MSC.Patran、Nastran， 到最後選定 Ansys 爲自己的分析工具，確實有一些東西值得和大家分享，與從 事複合材料結構分析的朋友門共同探討。 （一）概述篇 複合材料是由一種以上具有不同性質的材料構成，其主要優點是具有優異 的材料性能，在工程應用中典型的一種複合材料爲纖維增強複合材料，這種材 料的特性表現爲正交各向異性，對於這種材料的類比，很多的程式都提供了一 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類比（由於研究物 件是厚壁容器，不宜採用殼單元），分析結果還是非常好的，而且 I-Deas 強大 的建模功能，但由於課題要求要進行壓力容器的優化分析，而且必須要自己寫 優化程式，I-Deas 的二次開發功能開放性不是很強，所以改爲 MSC.Patran， Patran 提供了一種非常好的二次開發編程語言 PCL（以後在 MSC 的版中專門給 大家貼出這部分內容），採用 Patran 結合 Nastran 的分析環境，建立了基於正 交各項異性和各項異性兩種分析模型，但最終發現，在得到的最後結果中，複 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（因爲在 I-Deas 中，相同的模型結果是合理的），於是最後轉向 Ansys，剛開始接觸 Ansys，真 有相見恨晚的感覺，豐富的單元庫，開放的二次開發環境（APDL 語言），下面 就重點寫 Ansys 的內容。 在 ANSYS 程式中，可以通過各項異性單元（Solid 64）來類比，另外還專 門提供了一類層合單元（Layer Elements）來類比層合結構（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和 Solid 191）的複合材料。 採用 ANSYS 程式對複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，用於較小或中等厚度複合材料板或殼結構， 一般長度方向和厚度方向的比值大於 10； Shell 91 —— 非線性結構殼單元，這種單元支援材料的塑性和大應變行爲； Shell 181—— 有限應變殼單元，這種單元支援幾乎所有的包括大應變在內的 材料的非線性行爲； Solid 46 —— 三維實體結構單元，用於厚度較大的複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，不支援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，對於纖維增強複合材料，在這裏可以定義單層厚 度、纖維方向等。 （3）定義失效準則
    支援多種失效準則，不過我還是沒有用他，而是自己寫了通過應力結果採用二 次蔡胡準則程式來判斷的。 （4）其他的一些建模技巧和後處理指導 在我的分析工作中，主要採用了三維實體結構單元。 關於 Solid 46 單元 （1）Solid 46 是用於類比複合材料厚殼或實體的 8 節點三維層合結構單元， 單元節點有 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，其中每層可以爲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，不一致的複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）由程式自動轉換； （4）通過選擇不同的層直接在單元座標下獲取單元應力，包括三個方向的應 力和麵內剪切應力，而不需要通過應力應變的轉換來獲取；
    複合材料是一種各向異性材料，對於纖維增強複合材料又是一種正交各向 異性材料，因此，在進行複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，對複合材料結構的建模 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 建立複合材料結構模型，存在一個結構坐標系，用於確定幾何元素的位置， 這個座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，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 程式中，材料座標是由單元座標唯一確定 的，要確定材料座標，只要確定單元座標就行了；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 程式中，關於坐標 系有人做過專門的總結。見附件。 2．用於複合材料結構分析的單元 用於複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 多層資訊，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， 只能包含一種材料資訊，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．單元座標的一致性問題 在進行複合材料結構建模的時候，有些時候結構幾何比較複雜，很難用統 一的座標來確定單元坐標系，即使對一些規則的幾何（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座標的不一致，這就使得材料輸入 的時候存在問題並使計算結果錯誤，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複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 下面的命令流顯示了不同的幾何生成方法會産生不同的單元座標方向： /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
    KEYOPT,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+10,0,178, 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,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 FITEM,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 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，查看一下單元座標，再把命令流中下列部分 FLST,2,4,3 FITEM,2,21 FITEM,2,111 FITEM,2,112 FITEM,2,22 A,P51X 改爲： FLST,2,4,3 FITEM,2,22 FITEM,2,21 FITEM,2,111 FITEM,2,112 A,P51X
    再看一下單元座標。
    ANSYS 坐標系總結 工作平面（Working Plane） 工作平面是創建幾何模型的參考(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 於模型的總體原點。三種類型爲: 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 資料庫中節點座標總是以總體笛卡爾坐標系，無論節點是在什麽坐標系中創建 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 功 能 表 路 徑 Workplane>Local CS>Create LC 來創建。 啟動的坐標系是分析中特定時間的參考系。缺省爲總體笛卡爾坐標系。當創建 了一個新的坐標系時，新坐標系變爲啟動坐標系。這表明後面的啟動坐標系的 命令。功能表中啟動坐標系的路徑 Workplane>Change active CS to>。 節點坐標系 每一個節點都有一個附著的坐標系。節點坐標系缺省總是笛卡爾坐標系並與總 體笛卡爾坐標系平行。節點力和節點邊界條件（約束）指的是節點坐標系的方 向。時間歷程後處理器 /POST26 中的結果資料是在節點坐標系下表達的。而 通用後處理器/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建 一個柱坐標系並分配一個坐標系號碼(例如 CS,11)。這個局部坐標系現在成爲 啟 動 的 坐 標 系 。 然 後 選 擇 圓 上 的 所 有 節 點 。 通 過 使 用 "Prep7>Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 選擇節點的節點坐標 系的朝向將沿著啟動坐標系的方向。未選擇節點保持不變。節點坐標系的顯示 通過功能表路徑 Pltctrls>Symbols>Nodal CS。這些節點坐標系的 X 方向現在 沿徑向。約束這些選擇節點的 X 方向，就是施加的徑向約束。 注意：節點坐標系總是笛卡爾坐標系。可以將節點坐標系旋轉到一個局部柱座 標下。這種情況下，節點坐標系的 X 方向指向徑向，Y 方向是周向（theta）。 可是當施加 theta 方向非零位移時，ANSYS 總是定義它爲一個笛卡爾 Y 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，複合材料的鋪層方向）。對後處理也
    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 通用後處理器中 (位移, 應力，支座反力)在結果坐標系中報告，缺省 平行於總體笛卡爾坐標系。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。無論節點和單元坐標系如何設定。要恢復徑向和環向應 力 ， 結 果 坐 標 系 必 須 旋 轉 到 適 當 的 坐 標 系 下 。 這 可 以 通 過 功 能 表 路 徑 Post1>Options for output 實現。 /POST26 時間歷程後處理器中的結果總是 以節點坐標系表達。 顯示坐標系 顯示坐標系對列表圓柱和球節點座標非常有用(例如, 徑向，周向座標)。建議 不要啟動這個坐標系進行顯示。螢幕上的坐標系是笛卡爾坐標系。顯示坐標系 爲柱坐標系，圓弧將顯示爲直線。這可能引起混亂。因此在以非笛卡爾坐標系 列表節點座標之後將顯示坐標系恢復到總體笛卡爾坐標系。
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