基于ANSYS的复合材料仿真分析

基于ANSYS有限元的复合材料传动轴失效分析基于ANSYS有限元的复合材料传动轴失效分析1. 引言复合材料在传动轴应用中越来越广泛，其具有较高的强度和刚度，以及较低的密度和惯性矩。

然而，由于其复杂的结构和复杂的加载条件，传动轴在运行过程中可能会发生失效。

因此，基于有限元分析的复合材料传动轴失效分析显得尤为重要。

2. 传动轴结构和材料传动轴主要有轴状结构，通常由多个复合材料组件组成，如纤维增强聚合物复合材料（FRP）和碳纤维增强复合材料（CFRP）。

这些材料的组合可以提供较高的轴向和环向强度，从而提供更好的传递力矩和转速。

3. 复合材料传动轴的失效模式复合材料传动轴的失效模式包括弯曲破坏、蠕变破坏、疲劳破坏和环剪切破坏等。

这些失效模式通常是由不同的应力和应变引起的，并在不同的加载条件下发生。

4. 有限元模型的建立基于ANSYS有限元软件，可以建立复合材料传动轴的三维有限元模型。

模型的几何形状和材料属性可以根据实际情况进行设定。

5. 材料参数的输入复合材料的性能参数需要根据实际测试数据进行输入。

这些参数包括纤维体积分数、纤维方向的弹性模量和剪切模量，基体材料的弹性模量和剪切模量等。

这些参数的准确性对于分析结果的准确性至关重要。

6. 边界条件和加载条件的设定在进行有限元分析之前，需要确定边界条件和加载条件。

边界条件通常包括固定支撑和固定约束等，以保证模型的稳定性。

加载条件通常包括径向和环向的力矩和转速等。

7. 模型分析和结果评价通过对复合材料传动轴模型进行有限元分析，可以得到应力和应变的分布图，以及轴的变形情况。

利用这些结果可以评估轴的失效模式和强度。

8. 参数敏感性分析和优化设计在分析过程中，可以对模型的几何形状和材料参数进行敏感性分析。

通过调整这些参数，可以优化设计，提高传动轴的性能和可靠性。

9. 模型验证和实验验证为了验证有限元模型的准确性，可以进行实验验证。

将有限元分析结果与实验结果进行对比和验证，以确定模型的准确性和可靠性。

ANSYS复合材料仿真分析在ANSYS 中可以定义多种材料属性：主菜单-> preprocesser -> Material Prop -> Material Models -> 打开Define Material Model Behavior 对话框-> 顶部菜单中：Material -> New Model ... -> 弹出Define Material ID 对话框-> 定义更多的材料ANSYS复合材料仿真分析2009-05-23 23:31复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。

主要组分是增强材料和基体材料。

复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。

复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。

目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。

飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。

板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。

此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。

一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。

采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。

在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。

复合材料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。

这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。

基于ANSYS铺层方向对复合材料的力学影响分析本文首先建立了一个复合材料的层合板模型，并利用ansys研究了不同铺层方向对其力学性能的影响，研究表明：5/-45/45/-45的等效应力最大；铺层方向为0/90/90/0的等效应力最小，为复合材料的优选提供了一种途径。

1 引言复合材料是一种多相材料，由多种性质极不相同的材料组成。

先进的复合材料在本世纪60年代初才发明，最具代表性的为聚合物为基的高性能的碳纤维和硼纤维复合材料。

纤维和基体的力学性能有很大的差异，他们组合起来构成的纤维增强复合材料在弹性常数、线膨胀系数及强度特性方面必然会表现出明显的各向异性。

通过对纤维取向的设计制成的复合材料结构会出现程度不同的各向异性，复合材料性能的可设计性，是复合材料所特有的主要优点。

纤维复合材料是由两种或两种以上不同强度和模量的材料所构成，在纤维和基体材料选定后，尚有许多材料参数和几何参数可变动，而且形成层合结构时每一层的铺设方向又可随意安排，这样就可以人为的改变组分材料的种类、含量，以及铺层方向和顺序。

在一定范围内满足设计中对材料强度、刚度和方向性的要求，可是结构的性能、重量和经济指标等都做到合理的优化组合。

为设计人员提供了一种在一定范围内可随意设计的材料，达到结构设计与材料设计高度统一的优化设计的目的。

冲击现象的共同特点是载荷强度高，作用时间短，尤其作用时间短是区别于其他一般力学现象的重要特征。

在冲击现象中，作用时间一般为毫秒、微秒，甚至毫微秒数量级，在这么短时间内完成施加高强度载荷，以及在被作用物体内造成极高的压力或应力，引起被作用物体内介质运动和材料破坏，这是一系列随时间变化的动态过程。

与冲击效应有关的主要复合材料层合板的材料参数，是层合板的密度和硬度等。

密度越大、硬度越高，由地面冲击反射所造成的层合板破坏程度越严重，对于小质量、高速撞击的弹体来说，高强度合金钢、钨合金和铀合金才是制作弹体的理想材料。

本文研究了不同铺层方式对其力学性能的影响规律。

Ansys复合材料结构分析总结说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud，大家要感他呀目录1# 复合材料结构分析总结（一）——概述篇5# 复合材料结构分析总结（二）——建模篇10# 复合材料结构分析总结（三）——分析篇13# 复合材料结构分析总结（四）——优化篇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。

2
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
◆ 料。
5.2.2
BEAM188 和 BEAM189 为三维有限应变梁单元，其截面可以包含多种材
定义材料的叠层结构
复合材料最重要的特征就是其叠层结构。每层材料都有可能由不同的正交各 向异性材料构成，并且其主方向也可能各不相同。对于叠层复合材料，纤维的方 向决定了层的主方向。 有两种方法可用来定义材料层的配置： 通过定义各层材料的性质； 通过定义表示宏观力、力矩与宏观应变、曲率之间相互关系的本构矩阵(只 适合于 SOLID46 和 SHELL99)。
5.2.2.1 定义各层材料的性质
这种方法由下到上一层一层定义材料层的配置。底层为第一层，后续的层沿 单元坐标系的 Z 轴正方向自底向上叠加。如果叠层结构是对称的，可以只定义一 半的材料层。 有时，某个物理层可能只延伸到模型的一部分。为了建立连续的层，可以把 这些中断的层的厚度设置为零，图 5-1 显示了一个四层模型，其中第二层在某处 中断了。
1
及一个特殊的“三明治”选项， 而 SHELL99 则不能。另外 SHELL91 更适用于大 变形的情况。 3、SHELL181—有限应变壳单元 SHELL181 是四节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元支持所有 的非线性功能（包括大应变），允许有多达 250 层材料层。应该通过截面命令， 而不是实常数来定义层的信息，可以通过 FC 命令来指定失效准则。 4、SOLID46—三维层状结构体单元 SOLID46 是八节点三维实体单元 SOLID45 的一种叠层形式，其每个节点有 三个自由度(UX, UY, UZ)。它可用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元 允许有多达 250 层的等厚材料层， 或者 125 层的厚度在单元面内呈现双线性变 化的不等厚材料层。 该单元的另一个优点是可以用叠加几个单元的方式来对多于 250 层的复合材料建立模型，并允许沿厚度方向的变形斜率连续。用户也可输入 自己的本构矩阵。SOLID46 调整横向的材料特性，以允许在横向上为常应力。与 八节点壳单元相比较，SOLID46 的阶次要低些，因此，如在壳结构应用中要得到 与 SHELL91 或 SHELL99 相同的求解精度，需要更密的网格。 5、SOLID191--层状结构体单元 SOLID191 是 20 节点三维实体单元 SOLID95 的一种叠层形式，其每个节点 有三个自由度(UX, UY, UZ)。它可用以建立厚的叠层壳或实体的有限元模型，每 个单元允许有多达 100 层的材料层。与 SOLID46 类似，SOLID191 可以模拟厚度 上的不连续。SOLID46 可以调整横向的材料特性，以允许在横向上为常应力。这 个单元不支持非线性材料或大挠度。 6、其他 除上述层单元外，还有其它的一些具有层功能的单元： ◆ 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。

３累积损伤过程可视化仿真模拟
在复合材料层合板机械连接结构中，挤压破坏 是一种局部破坏，在设计中属合理情况。在层合板 几何参数满足挤压破坏要求的情况下，铺层类型是 影响其机械连接性能的重要因素。本文选择表３ 中所列的２种铺层，对Ｍ６试件进行了累积损伤过 程的可视化仿真模拟，对比情况如图５所示，图中 不同颜色代表着发生不同损伤类型的单元，检查各 个载荷步下发生各类型损伤的单元可对复合材料 层合板机械连接结构的设计起指导作用。
①输入层合板几何参数，建立复合材料层合 板单钉连接结构三维有限元模型；
②采用网格密度控制技术对整个结构划分 密度渐变的六面体网格；
③定义材料性能参数，选择复合材料单元损 伤准则和材料性能衰减准则；
④创建螺栓表面和层合板孔壁间的表面对 表面接触单元，选择接触算法，定义接触类型、摩 擦类型，设置主要参数，如接触刚度和最小穿透 值；
Ｆｉｇ．４
图４单钉连接挤压强度试验结果 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔ
表２单钉连接结构初始挤压破坏强度值
Ｔａｂｌｅ ２ ＩｎｉｔｉａＩ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏＩｔｅｄ ｊｏｉｎｔ
１参数化结构仿真设计
（１）仿真模块开发概况 通过参数化变量方 式建立有限元分析模型，用建立智能化分析的手 段为用户提供自动完成有限元分析的过程，使用 户实际上对复合材料层合板单钉连接结构设计和
收稿日期：２００５一０５ ２６：修订日期：２００５ １１—３０ 基金项目：凡舟基金（２００３０５０３）资助课题
摘要：应用ＡＮＳＹＳ参数化设计语言（ＡＰＤＬ）开发复合材料层合板机械连接结构的ＡＮＳＹＳ分析模块，实

– No material property matrix input – Supports plasticity, large­strain behavior; laminated and sandwich structures – Failure Modeling through TB, FAIL
© 2005 ANSYS, Inc.
8
ANSYS, Inc. Proprietary
SHELL99 Linear Layered Structural Shell Element
• Element Definition
– 8­node, 3­D shell element with six degrees of freedom at each node – Thin to moderately thick plate and shell structures with a side­to­ thickness ratio of roughly 10 or greater
© 2005 ANSYS, Inc.
rietary
Benefits of Composites
• Stronger and stiffer than metals on a density basis • Capable of high continuous operating temperatures • Highly corrosion resistant • Electrically insulating/conducting/selectively conducting properties • Tailorable thermal expansion properties • Exceptional formability • Outstanding durability

２． Ｓｃ ｈｏ ｏｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎｄ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｘｉ ’ ａ ｎ Ｐｏ ｌ ｙ ｔ ｅｃ ｈｎｉ ｃ Ｕ ｎｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ， Ｘｉ ’ ａ ｎ ７ １ ００ ４８， Ｃｈｉ ｎ ａ）
ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｈｅ ａｌ ｄ Ｆｒ ａｍｅ ｏ ｆ Ｃａｒ ｂ ｏ ｎ Ｆｉ ｂ ｅｒ Ｃｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ
Ｈ ＡＮ Ｂｉ ｎ ｂ ｉ ｎ ， Ｗ ＡＮＧ Ｙｉ ｘ ｕ ａ ｎ ， ＲＥＮ Ｓ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｎ ｉ ｎ ｇ ， ＺＨＡ ＮＧ Ｑｉ ｕ ｘ ｉ ａ
【８ １ ・１ ４ ０・
Ｔｅｘ ｔ ｉ ｌ ｅ
织器 。 Ａｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓ
Ｖ Ｏ Ｉ ． ４ ４ Ｎ Ｏ ３
Ｍａ ｙ ２０１ ７
基于 Ａ ＮＳ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ碳 纤 维 复 合 材 料 综 框 的 铺 层 分 析 与 优 化 设 计
ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ｉ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ ｈ ｅ ａ ｌ ｄ ｆ ｒ ａ ｍｅ ． Ｉ ｔ ｉ Ｓ ｐ ｏｉ ｎｔ ｅ ｄ ｏｕ ｔ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｈｅ ｈｅ ａ ｌ ｄ ｆ ｒ ａ ｍｅ
（ １ ． Ｔｈ ｅ Ｒ＆ Ｄ Ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｒ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｘｉ ｎ ｇ ｈ ａ ｎ ｇ Ｍｅ ｃ ｈ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｃｏ ． ， Ｌｔ ｄ ． ， Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ７ ４， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ；
动 态特性 的影响 ， 并进行 不 同参数 组合优化 ， 可确定综框 结构的最佳参数 。

Ｓ ｍｕ ａｅ ｓｎ ｈ ｉ ｌｔ ｄ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ＡＮＳ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔｓ ｆｗ ｒ ｈ ｕ ｎ ｉ ｆ ｈ ａ ｈ ｎ ｉ ｔａ ｓ ｔ ｆ ｍ ｈ ｏ ｍ ｏ ｏ ｔ ｏ ｒ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ＹＳ ｆ ｉ ｅ ｅ ｎ ｏ ｔ ａ ｅ ｔ ｅ ｑ ａ ｔ ｙ ｏ ｅ ｔ ｗ ｅ ｔ ｒ ｎ ｍｉ ｒ ｉ ｅ ｔ ｓ ｏ ｔ ｅ ｒ ｏ ｔ ｕ ｄ ｏ ｈ ｏ ｇ ｈ ｃ ｒ ｏ ｒ ｔｒａ ｎ ｅ ｈ ｉ ｔｒｃ ｎ ｉ ｏ ｏ ｅ ｂ ａ ｄ ｍａ ｅ ｌ ｄ ｒｔ ｅ ｗ ｎ ｅ ｏ ｄ ｔ ｎ．Ａｎ ｌ ｓ ｓｔ ｒ ｕ ｈ ａ ｓｎ ｌ —ａ ｔｒｗｈ ｎ Ｐ ， ｈ ｎ ｅ ｅ ｐ ｃ ｉｅ ｙ，ｔ ｅ ｔ ｍｐ ｒｔ ｒ ｉ ｕ ｉ ａｙ ｅ ｈ ｏ ｇ ｉ ｇ ｅ ｆ ｃｏ ｅ Ｓ ｃ ａ ｇ ｓｒ ｓ ｅ ｔ ｌ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｖ
Ｘｕ Ｍｉ Ｃｈ ｎ Ｌ ｉ Ｌ ｉｎ ｎ ｅ ｅ ｉＪａ
（ ｅ ｂ ｒ ｏ ｉ Ｂ ｓ ｔ ｉ ｃ ｎｅ ｎ Ｋ ｙＬ ｏ ｔｒ ｏ ｏ ａ ｄＭａ ｒ ｌ ｉ ｃ ａ ｄ扎ｃ Ｍｆ ｙｏ ｎ ｔ ｄｃ ｔ ｎ Ｎ ｒ ｅ ｔ ｏｅ ０ Ｕ ｉ ｒｔ Ｈ ｒ ｎ １０ ４ ） ａ ａ ｙ ｆＢ － ｅ ｅａ Ｓ ｅ ＾ ０ ｇ ｆＭｉ ｓｙ ｏ ｕａ ｏ ， ｏ ｈａ ｒ ｔ ｎ ｅ ｉ ａ ｉ ５ ０ ０ ｉｒ ｆＥ ｉ ｔ ｓＦ ｓ ｖ ｓｙ ｂ Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ： Ｔ ｉ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｕ ｅ ｏ ｙ ｔｒ ｎ ｙ ｔ ｓ ｐ ｍ ｎ ｎ ｈ ｔ ｗ ｂ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｓ ｔｅ ｃ ｒ ｏ ｒ ｆｗａ ｌｍａ ｅ ａ ． ｈｓ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓ ｓ ｐ ｌｓｙ ｅ ｅ ｃ ｓｏ ｅ ｉ ｅ ｔａ ｄ ｔ ｅ ｓｒ ｏ ｒ ｏ ｏ ｉ ａ ｈ ｏｅ ｂ ａ ｄ ｏ ｌ ａ ｅ ｔ ｒ １ ｉ

基于Matlab 和Ansys 的复合材料板的分析本文通过使用MATLAB 和ansys 这两款软件对假设的复合材料层积板进行结构分析，对该材料同一点施加相同的力之后，观察比对其余相同节点的位移及和扭转角。

假定的复合材料分析的模型问题阐述：假设一个对称的、尺寸为4.04.0⨯的方形积层板，使用SI 单位的碳纤维（Gr70%-Epoxy30%）为复材，铺层角为︒45，共有4层，每层厚度为1mm 。

在底端约束固定，于顶端中央的节点上施加一个Z 方向（垂直于复合材料板平面的方向为Z 方向）的集中力N F z 100=，是对其进行静力分析。

基于MATLAB 的复合材料层合板的分析 复合材料板的刚度矩阵称为层积板。

常见的层积板是以正交材料堆叠而成。

层积板中各层的正交材料有，又是以高强度线状材料与基底材料压制而成。

在复合材料力学中，我们可以列出弹性剪切模量G 、泊松比ν、杨氏模量E 的关系方程式。

二维正交材料，各应变的关系式为：）（2121111σνσε-E = （1））（2121221σσνε+-E = （2）1212121τγG =（3） 若定义： {}}{T 1221γεεε= （4）{}}{T 1221τσσσ= （5）则上式可写成：{}[]{}σεS = （6）其中[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=12222111211000101G E E E E S νν （7） 现在假设刚度矩阵[]Q 为挠度矩阵[]S 的逆矩阵，也就是：[][]1-=S Q （8）第（8）式可改写成：{}[]{}εσQ = （9）其中刚度矩阵[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=1221122211221121121222112100011011G E E E E Q νννννννννν （10） 又由于21ν和12ν的关系式121221E E νν=，因此2112Q Q =，也就是2112211211212211νννννν-=-E E ，刚度矩阵[]Q 为对称矩阵[][]TQ Q =。

Ansys复合材料结构分析操作指导书Ansys10.0 复合材料结构分析操作指导书第⼀章概述复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在⼀起⽽形成的⼀种多相固体材料，具有很⾼的⽐刚度和⽐强度（刚度和强度与密度的⽐值），因⽽应⽤相当⼴泛，其应⽤即涉及航空、航天等⾼科技领域，也包括游艇、风电叶⽚等诸多民⽤领域。

由于复合材料结构复杂，材料性质特殊，对其结构进⾏分析需要借助数值模拟的⽅法，众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。

Ansys软件由美国ANSYS公司开发，是⽬前世界上唯⼀⼀款通过ISO9001质量体系认证的分析设计软件，有着近40年的发展历史，经过多次升级和收购其它CAE(Computer Aided Engineering )软件，⽬前已经发展成集结构⼒学、流体⼒学、电磁学、声学和热学分析于⼀体的⼤型通⽤有限元分析软件，是⼀款不可多得的⼯程分析软件。

Ansys在做复合材料结构分析⽅⾯也有不俗的表现，此书将介绍如何使⽤该款软件进⾏复合材料结构分析。

在开始之前有以下⼏点需要说明，希望⼤家能对有限元法有⼤体的认识，以及Ansys软件有哪些改进，最后给出⼀些学习Ansys软件的建议。

1、有限元分析⽅法应⽤简介有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是建⽴在严格数学分析理论上的⼀种数值分析⽅法。

该⽅法的基本思想是离散化模型，将求解⽬标离散成有限个单元(Element)，并在每个单元上指定有限个节点(Node)，单元通过节点相连构成整个有限元模型，⽤该模型代替实际结构进⾏结构分析。

在对结构离散后，要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom)，试想⼀下，节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动，也就是节点的⾃由度)，节点位移通过求解⼀系列代数⽅程组得到，在求得节点位移后，利⽤节点位移和应⼒、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应⼒、应变，应⽤线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应⼒、应变等信息。

第五章复合材料5.1 复合材料的相关概念复合材料作为结构应用已有相当长的历史。

在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。

复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。

在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。

ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。

利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。

对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。

5.2 建立复合材料模型与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。

由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。

本节主要探讨如下问题：选择合适的单元类型；定义材料层；确定失效准则；应遵循的建模和后处理规则。

5.2.1 选择合适的单元类型用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。

但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和SHELL46 单元。

具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。

所有的层单元允许失效准则计算。

1、SHELL99--线性层状结构壳单元SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。

该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。

对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。

SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。

如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。

还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。

2、SHELL91--非线性层状结构壳单元SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。

０ １ ２年 第４期 新技术新工艺 ２
基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 的复合材料飞轮系统模态分析
２ ２ ，宋以国１， ，李 翀１ 李文逸１，
（ 黑龙江 哈尔滨 ， １．哈尔滨工程大学 储能技术研究所 ， １ ５ ０ ０ ０ １； ２．哈尔滨工程大学 生物医学 ） 黑龙江 哈尔滨 ， 材料与工程研究中心 ， １ ５ ０ ０ ０ １
美国德国日本和中国等国家已开展广泛的研究14飞轮储能系统向着高速化大功率方向发展因此其运行稳定性问题变得越来越突出目前对转子动力学研究的重点是转子系统的动态响应状态监测故障诊断及转子系统的非线性振固有频率和振型是承受动态载荷节点设计中的重要参数同时也可以作为其他动力学分析问题的起点本文利用有限元分析软件ansys建立了复合性检测方法的探讨j
表 ２ 飞轮系统频率分析结果
阶次 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １ ０ 固有振动频率／ Ｈ ｚ １ １ ２． ２ ２ ３ ６． ８ ２ ４ ４． １ ６ ０ ７． ９ ６ １ ７． ４ ６ ２ ７． １ １ ７ ５ ０ １ ７ ５ ７ ２ １ ５ ３ ２ １ ７ ５
１． ３ 约束条件 根据 飞 轮 系 统 的 实 际 工 作 状 态 ， 飞轮转子的两 一端双轴承可以轴向 端均采用径向与轴 向 磁 轴 承 ， 移动 ， 因此在心 轴 上 一 端 ｘ、 在ｚ 向 ｙ 向 施 加 约 束， 不施加约束 ； 另外一端双轴承不可以轴向移动 ， 在此 心轴一端施加 ３ 向全约束 。
－１ ·ｍ 转速／ ｒ ｉ ｎ
６ ７ ３ ２ １ ４ ２ ０ ８ １ ４ ６ ４ ６ ３ ６ ４ ７ ４ ３ ７ ０ ０ ４ ３ ７ ６ ２ ６ １ ０ ５ ０ ０ ０ １ ０ ５ ４ ２ ０ １ ２ ９ １ ８ ０ １ ３ ０ ５ ０ ０

5.3 复合材料分析实例(GUI方法)5.3.1 问题描述如图5-7所示，有一长3米的工字梁，高度为0.3m，上下翼缘的宽度为0.2m。

材料为T300/5208，是20层对称分布叠层板，每层的厚度为0.001m，各层的方向角分别为0、45、90、-45、0、0、45、90、-45和0度，材料特性为：E x=181Gpa，E y=E z=10.3Gpa，G xy=7.17Gpa，G yz=3.78Gpa，υ12=0.016。

沿轴强度：σx+=1500Mpa，σx-=1500Mpa，σy+=40Mpa，σy-=246Mpa，σx+=40Mpa，σx-=246Mpa，τxy=68Mpa （+表示受拉，-表示受压）。

工字梁一端固定，另一端受集中力分别为：100N 、10000N和100N 。

计算工作应力和应变、失效应力和失效层等。

图5-7叠层板工字梁结构和载荷示意图5.3.2 GUI方式(一) 定义单元类型、实常数和材料特性1. 选取菜单元途径Main>Preprocessor>Element type>Add/edit/delete,弹出Element Types窗口。

2. 单击Add，弹出Library of Element Types窗口，左边选择窗口选择Structural Shell，右边选择窗口选择中选择Linear Layer99,单击OK。

3. 单击Element Types窗口中Options,弹出SHELL99 ElementType Options窗口，将K8设置为ALL Layer，单击OK。

单击Element Types窗口中Close。

4. 选取菜单途径Main menu>Preprocessor>Element Type>Real Constants，弹出Real Constants 窗口。

单击OK，弹出Element type for Real Constants窗口。

量来 表 示 。
ｆ３ｔ （ －Ｉ
图 ４ Ｅ ＝ ．２ ｌ ３ Ｅ ＝１
对于两相复合材料的等效介电常数的计算已有
相 当长 的 历 史 ， 比较 经 典 的 计 算 公 式 有 Ｍａｗ ｌ— ｘ ｅｌ
Ｇ ｒｅ ａｎ ｒ公式 ：
＋ ：
蔷
＋ 厂 ： ０
８、’ ‘￡硪
（ １ １ ）
１９ ． ９ ６
在 上 述 三 种模 型 的基 础 上 ， 别 计 算 了三 种 不 分 同情 况 的介 电 常数 ： １ ８ ＝ ８ ＝１ （ ） １ ０ ８ （ ） １ ３，２ ；２ ８ ＝１ ，２ ＝１ （ ） ， ３ ￡ ＝１ ；３ ｓ ＝ ０，： 。计 算 结果 如 图 ４— ６所示 。 从 图 ４～ ６比较 可 以看 到 ，１ 两种 材料 的介 电常 （）
１ 电磁 控 制 方 程
从 理 论 框架 上 看 ， 克斯 韦方 程 组 加 上 洛 伦 兹 麦 力的计算公式 ， 合起来 构成了静止及运 动媒质 中电
２ 仿真 预测原理及结果
２ １ 预 测原 理 ．
有 限元 软 件 Ａ Ｓ Ｓ中 的 电磁 模 块 就 是 以麦 克 ＮＹ
甘
肃
科
技
计算结果相 比较 ， 由于公式 中没有考虑到几何结构 对参数 的影响 ， 具有一定 的局限性 ， 而本构方程法适
用 于不 同结构 的计 算 模 型 。 参考 文献 ：
［ ］ Ｄ Ｈ ｌ ａｄ ＷＩ ｌ ｅＡ ｎｒｄ ｃｏ ｏ Ｃ ｍ ｏｉ １ ． ｕｌ ｎ ｙ ． ｎ Ｉｔ ｕｔ ｎ ｔ ｏ ｐｓ ｅ Ｃｎ ｏ ｉ ｔ Ｍａ ｒ ｌ ［ ． ａ ｂ ｄｅ Ｕ ｉｅ ｉ 麟 ｓ Ｃ ｍ ｒ ｅ ｔ ｉ ｓ Ｍ］ Ｃ ｍ ｒ ｇ ｎ ｒ ｔ Ｐ ， ａ ｂｉ ， ｅａ ｉ ｖ ｓｙ ｇ

第五章复合材料5.1 复合材料的相关概念复合材料作为结构应用已有相当长的历史。

在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。

复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。

在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。

ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。

利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。

对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。

5.2 建立复合材料模型与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。

由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。

本节主要探讨如下问题：选择合适的单元类型；定义材料层；确定失效准则；应遵循的建模和后处理规则。

5.2.1 选择合适的单元类型用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。

但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和SHELL46 单元。

具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。

所有的层单元允许失效准则计算。

1、SHELL99--线性层状结构壳单元SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。

该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。

对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。

SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。

如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。

还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。

2、SHELL91--非线性层状结构壳单元SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。

基于ANSYS的纳米复合材料力学行为模拟与分析李鹤飞 任伟光 王超（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，100083）摘要：纳米碳管具有良好的力学性能，存在着非常广阔的应用前景。

本文主要是基于ANSYS实现对纳米碳管含氧树脂基复合材料的力学行为进行数值模拟分析。

由于纳米碳管和环氧树脂基体的材料的差异，从结果分析可以看出随着纳米碳管体积含量的增强，整个复合材料的整体弹性模量在不断的提高。

同时通过对同一模型不同方向的单轴拉伸数值模拟结果的不同，来验证各项异性的存在。

关键词：纳米碳管；弹性模量；ANSYS；网格划分；应力云图一、 模型的建立和网格划分从图1的电镜图片中可以看到真实的纳米碳管是相对均匀但是杂乱无规律的分部在环氧树脂基体中，要实现纳米碳管环氧树脂基增强复合材料的建模，要对其进行相对的简化。

图1 电镜中观察到的纳米碳管 图2全部划分完网格的模型二、 模型材料参数的确定20节点的brick 20node 186是最为理想的单元类型，因为它可以建立有中间节点的六面体单元和四面体单元，同时也可以建立和乳酪形状类似的一些几何形状不完全规整的单元[1-2]。

三、 数值模拟结果分析由于所建模型纳米碳管的含量较低，同时空间排布并不均匀，所以对同一模型不同方向加载相同的位移载荷，上表面节点的合拉力也会有所不纳米碳管虽然是一根在空间中光滑弯曲的同，表现出一定的各向异性【3】【6】。

经过计算之后可以在通用后处理器中得到两组位移云图。

图3和图4依次为同一模型沿Y轴加载和Z轴加载，图3中Y轴为与纳米碳管截面平行的方向，为Y轴的整体位移云图。

而在图4中，Z轴方向为与纳米碳管的径向方向，位移云图为Z轴的位移云图。

图3 沿Y轴加载的模型的整体Y轴位移云图 图4 沿Z轴加载的模型的整体Z轴位移云图 表1 同样体积含量模型不同方向加载的约束反力组别 Y轴拉伸模型 Z轴拉伸模型纳米碳管体积含量（%） 1.135 1.135约束反力（ N） 88．346 88．902名义弹性模量（GPa） 4.206 4.233径向产生模型的这种各项异性的原因我分析为纳米碳管在基体中类似于一根弯曲的钢筋在混凝土中类似的作用，由于纳米碳管的弹性模量比环氧树脂基体要大，在沿Z轴方向（纳米碳管长度延伸的主要方向）起到抑制拉伸的作用，而在Y轴方向环氧树脂基体承受主要的载荷，所以需要的拉力会小一些。