ANSYS_ACP_Tutorial_ex1复合材料分析官方实例

管道支架结构分析一问题描述该结构用于支撑管道，如图所示。

该结构需要有很好的长时间的支撑性，且在支撑时，变形不能过大，否则会由于支撑力不够，造成管道变形，严重的话会造成管道的泄露。

另外，所用的材料也要满足屈服条件，设计时不能造成结构的破坏。

如何设计该支撑的结构和所用的材料成了其中的关键。

材料参数为7E+008，泊松比为0.33，边界条件为最下端为固定端，载荷为管道所在弧面上，方向为垂直且指向弧面的均布面力。

二求解步骤定义工作文件名Utility Menu-->File-->Change Jobname 该工作名为yangxin10054554定义单元类型Main Menu --> Preprocessor--> Element Type --> Add/Edit/Delete…创建mesh200和brick 20node 95单元。

（mesh200还需设置options选择面单元，否则分网时会提示出问题）材料参数设定main menu-->preferences-->…选中结构类选项。

Main menu-->preprocessor-->material props-->material models-->在material models available 分组框中依次选取structural/linear/elastic/isotropic选项，设置弹性模量EX=0.7e9,泊松比=0.33。

4.生成几何模型、划分网格Main menu-->preprocessor-->modeling-->create-->keypoints-->in active cs 选项，输入关键点号和相应的坐标，如下：2）连线Main menu-->preprocessor-->modeling-->create-->lines-->lines-->straightline-->…3) 倒角Main menu-->preprocessor-->modeling-->create-->lines-->line fillet-->...4）对称Main menu-->preprocessor-->modeling-->reflect-->lines-->…之后将所有面add在一起。

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。

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。

ANSYS 分析实例集Whtao1998汇集11．ANSYS SOLID65环向布置钢筋的例2.混凝土非线性计算实例（1）- MISO单压 (6)3.混凝土非线性计算实例（2）-MISO约束4.混凝土非线性计算实例（3）- KINH滞回 (10)5.混凝土非线性计算实例（4）-K INH压-拉裂 (12)6.混凝土非线性计算实例（5） (13)7.混凝土非线性计算实例（6） (15)8.混凝土非线性计算实例（7）-MISO滞回 (17)9.混凝土非线性计算实例（8） (19)10.混凝土非线性计算实例（9）-梁平面应力 (21)11.四层弹簧－质点模型的地震分析 (23)12.悬臂梁地震分析 (49)13.用beam54单元描述变截面梁的例子 (73)14.变截面梁实例 (74)15.拱桥浇筑过程分析-单元生死应用实例 (75)16.简支梁实体与预应力钢筋分析实例 (76)17.简单的二维焊接分析－单元生死实例 (78)18.隧道开挖（三维）的命令流 (85)19.岩土接触分析实例 (102)20.钢筋混凝土管的动力响应特性分析实例......................................................................11021.隧道模拟开挖命令流（入门）......................................................................................11722.螺栓连接的模拟实现问题 (120)23.道路的基层、垫层模量与应力之间的关系 (130)23.滞回分析 (152)24.模拟某楼层浇注 (154)25.在面上施加移动的面力 (156)27.在任意面施加任意方向任意变化的压力 (160)28.预紧分析 (161)29.几何非线性+塑性+接触+蠕变 (163)30.埋设在地下的排水管32.幕墙企业玻璃简化计算 (173)33.等截面杆单元生死应用实例 (189)34.梁板建模联系 (190)36.简单的例子－如何对结构的振动控制分析 (193)37.模态分析结果的输出实例 (195)38.火车过桥动态加载实例（部分） (197)39.悬索结构的找形和计算的例题 (214)40.陶瓷杆撞击铝板的例子 (219)41.求反作用力的APDL 命令42.LS-DYNA 实例（部分） (223)43.路面分层填筑对路基的影响 (224)44.一个例子（含地震影响，求振兴与频率） (228)45.接触面上的压力总和 (232)46.施加位置函数荷载 (236)247.非线性分析考虑刚度退48.一个圆形水池的静力分析 (238)49.ANSYS中混凝土模式预应力模拟的算50.悬臂梁受重力作用发生大变形求其固有频率 (241)51.循环对称结构模态分析 (243)52.三角平台受谐波载荷作用的结构响应 (245)53.三角平台受一地震谱激励的应力分布和支反力 (247)54.三角平台受时程载荷作用的应力分布和变形过程 (249)55.经典层合板理论 (251)56．定易圆轨迹的例子 (258)57．模拟门式刚架施工－单元生死 (258)58．钢筋混凝土整体式模型例子 (261)子 (263)60．含预应力的特征值屈曲计算 (264)61．振型叠加计算及工况组合例子 (266)62．柱子稳定分析算（预应力，特征值屈曲，初始缺陷） (269)63．m odule M Concre te!混凝土模板 (272)64.混凝土开裂实例 (280)65．螺栓网格划分 (281)66．自由液面的土石坝平面渗流分析 (282)67．导出刚度矩阵 (286)析 (287)69．移动温度荷载计算 (294)70．S HSD用于壳-实体装配实例An (296)71．ansys 显示－隐式－回弹分析实例 (300)72．工况组合的经典例子 (315)31．ANSYS SOLID65环向布置钢筋的例子!一个管道，环向配筋率为1%，纵向配筋率为0.5%，径向配筋率为0.1%!FINISH/CLEAR/PREP7!*!单元属性ET,1,SOLID65!*KEYOPT,1,1,0KEYOPT,1,5,0KEYOPT,1,6,0KEYOPT,1,7,1!*!实参数1：不同方向配筋R,1,2,.001,,,2,.01,RMORE,90,,2,.005,90,90,!Adds real constants to a set.!材料属性!混凝土基本材料属性MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,30E2 MPDATA,PRXY,1,,.2!屈服准则TB,MISO,1,1,5, TBTEMP,0TBPT,,0.0005,15 TBPT,,0.001,21 TBPT,,0.0015,24 TBPT,,0.002,27 TBPT,,0.003,24!破坏准则TB,CONC,1,1,9, TBTEMP,0 TBDATA,,.5,.9,3,30,,!抗拉和抗压是10倍的关系TBDATA,,,,1,,, MPTEMP,,,,,,,,4MPTEMP,1,0!钢材基本属性MPDATA,EX,2,,200E3MPDATA,PRXY,2,,.27!屈服准则TB,BISO,2,1,2,TBTEMP,0TBDATA,,310,2E3,,,,!管道内径和外径CYL4,0,0,3000, ,,,1000CYL4,0,0,2000, ,,,10000VSBV,1,2!定义局部柱坐标CSWPLA,11,1,1,1,!Defines a local coordinate system at the origin of the workin g plane. KWPAVE,11!move to keypoint11WPRO,,-90.000000,VSBW,3WPCSYS,-1,0!Defines the working plane location based on a coordinate syste m. KWPAVE,1WPRO,,,-90.000000VSBW,ALLESIZE,500,0,!注意：设定单元局部坐标VATT,1,1,1,11!*VSWEEP,ALL/DEVICE,VECTOR,1/ESHAPE,1.0!Displays elements with shapes determined from the real constan ts or section/REPLO!注意：红色代表最大配筋方向，绿色代表其次，蓝色表示最小配筋方向52.混凝土非线性计算实例（1）-MISO单压!MISO单压FINISH/CLEAR/PREP7ET,1,SOLID65R,1MP,EX,1,30E3MP,NUXY,1,0.2TB,CONCR,1,1TBTEMP,0TBDATA,1,0.3,0.5,2.5,-1TB,MISO,1,1,15TBPT,,100E-6, 3.0TBPT,,300E-6,8.3TBPT,,600E-6,14.6TBPT,,900E-6,19.1TBPT,,1100E-6,21.0TBPT,,1250E-6,22.0TBPT,,1400E-6,22.6TBPT,,1550E-6,22.8TBPT,,1650E-6,22.7TBPT,,1800E-6,22.3TBPT,,2000E-6,21.4TBPT,,2800E-6,16.8TBPT,,3200E-6,14.7TBPT,,3800E-6,12.3TBPT,,4600E-6,9.9!TB,MKIN,1!TBTEMP,,STRAIN!TBDATA,,600E-6,1100E-6,1600E-6,3000E-6,4500E-6 !TBTEMP,0!TBDATA,,15,21.5,23,16,9BLOCK,0,50,0,50,0,50MSHAPE,0,3DMSHKEY,1ESIZE,106VMESH,ALL NSEL,S,LOC,X,0 D,ALL,UX,0 NSEL,S,LOC,Y,0 D,ALL,UY,0 NSEL,S,LOC,Z,0 D,ALL,UZ,0 NSEL,S,LOC,Y,50 CP,1,UY,ALL NSEL,ALL FINISH/VIEW,1,1,1,1 /REPLOT/SOLU ANTYPE,STATIC AUTOTS,OFF OUTRES,ALL,1 TIME,50 NSUBST,50D,1,UY,-.25NSEL,ALLSOLVEFINISH/POST26NSOL,2,1,U,Y,UYRFORCE,3,1,F,Y,FYADD,4,2,,,STRAIN,,,-1/50ADD,5,3,,,STRESS,,,-1/2500/AXLAB,X,STRAIN/AXLAB,Y,STRESSXVAR,4PLVAR,5FINISH3.混凝土非线性计算实例（2）-MISO约束压7!MISO约束压FINISH/CLEAR/PREP7ANTYPE,STATICET,1,SOLID65R,1MP,EX,1,30E3MP,NUXY,1,0.2TB,CONCR,1,1 TBTEMP,0TBDATA,1,0.3,0.5,2.5,-1 TB,MISO,1,1,15 TBPT,,100E-6, 3.0 TBPT,,300E-6,8.3 TBPT,,600E-6,14.6 TBPT,,900E-6,19.1 TBPT,,1100E-6,21.0 TBPT,,1250E-6,22.0 TBPT,,1400E-6,22.6TBPT,,1550E-6,22.8TBPT,,1650E-6,22.7TBPT,,1800E-6,22.3TBPT,,2000E-6,21.4TBPT,,2800E-6,16.8TBPT,,3200E-6,14.7TBPT,,3800E-6,12.3TBPT,,4600E-6,9.9!TB,MKIN,1!TBTEMP,,STRAIN!TBDATA,,600E-6,1100E-6,1600E-6,3000E-6,4500E-6!TBTEMP,0!TBDATA,,15,21.5,23,16,9BLOCK,0,50,0,50,0,50ESIZE,10VMESH,ALLMSHAPE,0,3DNSEL,S,LOC,X,0D,ALL,UX,08NSEL,S,LOC,Y,0 D,ALL,UY,0 NSEL,S,LOC,Z,0 D,ALL,UZ,0 NSEL,S,LOC,Y,50 CP,1,UY,ALL D,ALL,UX,0D,ALL,UZ,0 NSEL,ALL FINISH/VIEW,1,1,1,1 /REPLOT/SOLU OUTRES,ALL,1 TIME,20 NSUBST,20,0,20 D,1,UY,-.04 LSWRITE,1 TIME,30 NSUBST,20,0,20 D,1,UY,-.06LSWRITE,2TIME,40NSUBST,100D,1,UY,-.1LSWRITE,3LSSOLVE,1,3FINISH/POST26NSOL,2,1,U,Y,UY RFORCE,3,1,F,Y,FYADD,4,2,,,STRAIN,,,-1/50 ADD,5,3,,,STRESS,,,-1/2500 /AXLAB,X,STRAIN/AXLAB,Y,STRESSXVAR,4PLVAR,5FINISH94.混凝土非线性计算实例（3）-KINH滞回!KINH滞回FINISH/CLEAR/PREP7ANTYPE,STATICET,1,SOLID65R,1MP,EX,1,30E3MP,NUXY,1,0.2TB,CONCR,1,1TBTEMP,0TBDATA,1,0.3,0.5,2.5,-1TB,KINH,1,1,10TBPT,,150E-6, 4.5TBPT,,600E-6,14.8 TBPT,,1000E-6,20.25 TBPT,,1300E-6,22.3 TBPT,,1480E-6,22.8 TBPT,,1620E-6,22.8 TBPT,,1800E-6,22.3 TBPT,,2000E-6,21.4 TBPT,,3500E-6,12.8 TBPT,,5000E-6,9.0BLOCK,0,50,0,50,0,50 ESIZE,10VMESH,ALL MSHAPE,0,3D NSEL,S,LOC,X,0D,ALL,UX,0NSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UY,0NSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,UZ,0NSEL,S,LOC,Y,50 CP,1,UY,ALL10NSEL,ALL FINISH/VIEW,1,1,1,1 /REPLOT/SOLU OUTRES,ALL,ALL TIME,20 NSUBST,20,0,20 D,1,UY,-.04 LSWRITE,1 TIME,35 NSUBST,15,0,15 D,1,UY,-.01 LSWRITE,2 TIME,90 NSUBST,55,0,55 D,1,UY,-.12 LSWRITE,3 TIME,125 NSUBST,35,0,35 D,1,UY,-.05LSWRITE,4TIME,175NSUBST,50,0,50D,1,UY,-.15LSWRITE,5LSSOLVE,1,5FINISH/POST26NSOL,2,1,U,Y,UY RFORCE,3,1,F,Y,FYADD,4,2,,,STRAIN,,,-1/50 ADD,5,3,,,STRESS,,,-1/2500 /AXLAB,X,STRAIN/AXLAB,Y,STRESSXVAR,4PLVAR,5FINISH115.混凝土非线性计算实例（4）-KINH压-拉裂!KINH压——拉裂压到峰值，泄载、反向加载到拉裂FINISH/CLEAR/PREP7ANTYPE,STATICET,1,SOLID65R,1MP,EX,1,30E3MP,NUXY,1,0.2TB,CONCR,1,1TBTEMP,0TBDATA,1,0.3,0.5,2.5,-1TB,KINH,1,1,10 TBPT,,150E-6, 4.5 TBPT,,600E-6,14.8 TBPT,,1000E-6,20.25 TBPT,,1300E-6,22.3 TBPT,,1480E-6,22.8 TBPT,,1620E-6,22.8 TBPT,,1800E-6,22.3 TBPT,,2000E-6,21.4 TBPT,,3500E-6,12.8 TBPT,,5000E-6,9.0BLOCK,0,50,0,50,0,50 ESIZE,10VMESH,ALL MSHAPE,0,3D NSEL,S,LOC,X,0D,ALL,UX,0NSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UY,0NSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,UZ,012CP,1,UY,ALL NSEL,ALL FINISH/VIEW,1,1,1,1 /REPLOT/SOLU OUTRES,ALL,ALL TIME,20 NSUBST,20,0,20 D,1,UY,-.04 LSWRITE,1 TIME,45 NSUBST,25,0,25 D,1,UY,.01 LSWRITE,2 LSSOLVE,1,2 FINISH/POST26RFORCE,3,1,F,Y,FYADD,4,2,,,STRAIN,,,-1/50ADD,5,3,,,STRESS,,,-1/2500/AXLAB,X,STRAIN/AXLAB,Y,STRESSXVAR,4PLVAR,5FINISH6.混凝土非线性计算实例（5）FINISH/CLEAR/PREP7ANTYPE,STATIC13ET,1,SOLID65R,1MP,EX,1,30E3MP,NUXY,1,0.2TB,CONCR,1,1 TBTEMP,0TBDATA,1,0.3,0.5,2.5,-1 TB,KINH,1,1,18 TBPT,,100E-6, 3.0 TBPT,,300E-6,8.3 TBPT,,600E-6,14.6 TBPT,,900E-6,19.1 TBPT,,1100E-6,21.0 TBPT,,1250E-6,22.0 TBPT,,1400E-6,22.6 TBPT,,1550E-6,22.8 TBPT,,1650E-6,22.7 TBPT,,1800E-6,22.3 TBPT,,2000E-6,21.4 TBPT,,2400E-6,19.1 TBPT,,2800E-6,16.8TBPT,,3200E-6,14.7TBPT,,3600E-6,13.0TBPT,,4100E-6,11.3TBPT,,4600E-6,9.9BLOCK,0,50,0,50,0,50ESIZE,10VMESH,ALLMSHAPE,0,3DNSEL,S,LOC,X,0D,ALL,UX,0NSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UY,0NSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,UZ,0NSEL,S,LOC,Y,50CP,1,UY,ALLNSEL,ALLFINISH14/VIEW,1,1,1,1/REPLOT/SOLUOUTRES,ALL,ALLTIME,50NSUBST,50,0,50D,1,UY,-.25SOLVEFINISH/POST26NSOL,2,1,U,Y,UY RFORCE,3,1,F,Y,FYADD,4,2,,,STRAIN,,,-1/50 ADD,5,3,,,STRESS,,,-1/2500 /AXLAB,X,STRAIN/AXLAB,Y,STRESSXVAR,4PLVAR,5FINISH7.混凝土非线性计算实例（6）!MISO约束压FINISH/CLEAR/PREP7ANTYPE,STATICET,1,SOLID65R,1MP,EX,1,30E3MP,NUXY,1,0.2TB,CONCR,1,1TBTEMP,0TBDATA,1,0.3,0.5,2.5,-1TB,KINH,1,1,15TBPT,,100E-6, 3.015TBPT,,300E-6,8.3TBPT,,600E-6,14.6TBPT,,900E-6,19.1TBPT,,1100E-6,21.0TBPT,,1250E-6,22.0TBPT,,1400E-6,22.6TBPT,,1550E-6,22.8TBPT,,1650E-6,22.7TBPT,,1800E-6,22.3TBPT,,2000E-6,21.4TBPT,,2800E-6,16.8TBPT,,3200E-6,14.7TBPT,,3800E-6,12.3TBPT,,4600E-6,9.9!TB,MKIN,1!TBTEMP,,STRAIN!TBDATA,,600E-6,1100E-6,1600E-6,3000E-6,4500E-6 !TBTEMP,0!TBDATA,,15,21.5,23,16,9BLOCK,0,50,0,50,0,50ESIZE,10VMESH,ALL MSHAPE,0,3D NSEL,S,LOC,X,0 D,ALL,UX,0 NSEL,S,LOC,Y,0 D,ALL,UY,0 NSEL,S,LOC,Z,0 D,ALL,UZ,0 NSEL,S,LOC,Y,50 CP,1,UY,ALL D,ALL,UX,0D,ALL,UZ,0 NSEL,ALL FINISH/VIEW,1,1,1,1 /REPLOT/SOLU OUTRES,ALL,1 TIME,20 NSUBST,20,0,2016D,1,UY,-.04LSWRITE,1TIME,30NSUBST,20,0,20D,1,UY,-.06LSWRITE,2TIME,40NSUBST,100D,1,UY,-.1LSWRITE,3LSSOLVE,1,3FINISH/POST26NSOL,2,1,U,Y,UY RFORCE,3,1,F,Y,FYADD,4,2,,,STRAIN,,,-1/50 ADD,5,3,,,STRESS,,,-1/2500 /AXLAB,X,STRAIN/AXLAB,Y,STRESSXVAR,4PLVAR,5FINISH8.混凝土非线性计算实例（7）-MISO滞回!MISO滞回FINISH/CLEAR/PREP7ANTYPE,STATICET,1,SOLID65R,1MP,EX,1,30E3MP,NUXY,1,0.2TB,CONCR,1,1TBTEMP,0TBDATA,1,0.3,0.5,2.5,-117TB,MISO,1,1,15 TBPT,,100E-6, 3.0 TBPT,,300E-6,8.3 TBPT,,600E-6,14.6 TBPT,,900E-6,19.1 TBPT,,1100E-6,21.0 TBPT,,1250E-6,22.0 TBPT,,1400E-6,22.6 TBPT,,1550E-6,22.8 TBPT,,1650E-6,22.7 TBPT,,1800E-6,22.3 TBPT,,2000E-6,21.4 TBPT,,2800E-6,16.8 TBPT,,3200E-6,14.7 TBPT,,3800E-6,12.3 TBPT,,4600E-6,9.9BLOCK,0,50,0,50,0,50 ESIZE,10VMESH,ALL MSHAPE,0,3D NSEL,S,LOC,X,0D,ALL,UX,0NSEL,S,LOC,Y,0 D,ALL,UY,0 NSEL,S,LOC,Z,0 D,ALL,UZ,0 NSEL,S,LOC,Y,50 CP,1,UY,ALL NSEL,ALL FINISH/VIEW,1,1,1,1 /REPLOT/SOLU OUTRES,ALL,ALL TIME,20 NSUBST,20,0,20 D,1,UY,-.04 LSWRITE,1 TIME,35NSUBST,15,0,15 D,1,UY,-.01。

A一13玻璃钢学会第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集2006年Amys在复合材料结构优化设计中的应用覃海艺,邓京兰(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070摘要:优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。

本文详细介绍了Ansys两种优化设计方法.目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程,并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方'法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。

结果证明Ansys优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。

关键词:Ansys;优化设计方法;目标函数最优设计;拓扑优化设计;复合材料l前言复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成,具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点,广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。

复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能,因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置,充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。

Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术,Ansys强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心J。

2Ansys中的优化设计方法【3娟j2.1目标函数最优设计“最优设计”是指满足所有的设计要求,而且所需(如重量、面积、体积、应力、费用等的方案最小,即目标函数值最小。

也就是说,最优设计方案是一个最有效率的方案。

在Ansys中设计方案的任何方面都是可以优化的,如尺寸(如厚度、形状(如过渡圆角的大小、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。

实际上,所有可以参数化的Ansys选项都可以作优化设计。

目标函数最优设计是通过改变设计变量(自变量的数值,使状态变量(设计变量的函数,因变量在满足一定条件时,目标函数(因设计变量的改变而有所改变的值最小。

目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件,该文件须包括整个分析的过程,并满足以下条件:参数化建立模型(PREIy7,对模型进行初次求解(SOLUTION,对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数(POSTl/POST26;②在Ansys数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数,这一步是标准的做法,但不是必须的(BEGIN或OPT;③进入OPT优化处理器,指定要进行优化设计循环的分析文件(oPT;④声明优化变量:指定哪些参数是设计变量,哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函数;⑤选择优化工具或优化算法:优化算法是使单个函数(目标函数在控制条件下达到最小值的传统算法,包括零阶算法和一阶算法;⑥指定优化循环控制方式,每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数,比如最大迭代次数等;⑦进行优化分析;⑧查看设计序列结果(OPT和后处理(POSTl/POST26。

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，大家要感谢他呀目录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。

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）-一概述篇5#复合材料结构分析总结（二）-一建模篇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l-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ANSY醉序中，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。

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。

有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。

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。

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。

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。

简例Ansys在复合材料应力分析中的应用本节目的：（1）继续练习Ansys单元选择、实常数定义、材料特性定义、建模、网格划分、边界条件定义、负载施加、求解、后处理的过程；（2）了解复合材料的实常数、材料特性定义的一般模式。

本节内容：参照论文（李涛, 樊庆文. Ansys在复合材料应力分析中的应用. 机械[J], 33(12), 2006，47-48），练习复合材料应力分析的一个简例。

打开Ansys，新建文件名为“ex1”的db文件。

1. 单元选择菜单路径：[Preprocessor] → [Element Type] → [Add/Edit/Delete]，在弹出的[Element Type]对话框中按“Add…”按钮，在弹出的[Library of Element Types]对话框中，选取Shell99单元，如图1，按“OK”按钮，回到[Element Type]对话框，此时“Defined Element Types:”标题栏下文本框中应出现“Type 1 SHELL99”条目，按“Close”按钮关闭[Element Type]对话框。

图12. 实常数定义菜单路径：[P reprocessor] →[Real Constants] → [Add/Edit/Delete]，在弹出的[Real Constants]对话框中按“Add…”按钮，弹出[Element Type for Real Constants]对话框，按“OK”按钮，弹出[Real Constant Set Number1，for SHELL99]对话框，按“OK”按钮，弹出新[Real Constant Set Number1，for SHELL99]对话框，在“Number of layers(250 max) NL”条目右边的文本框中输入4（图2），其它条目保持缺省，按“OK”按钮，弹出新[Real Constant Set Number1，for SHELL99]对话框（图3），输入参数，按“OK”按钮。

ANSYS ACP复合材料案例详解－1该算例为简单层合板分析，描述了从几何模型到后处理的基本操作流程。

1.前处理部分1〉打开ANSYS Workbench，直接拖拽ACP（Pre）到工作界面：2〉双击打开Engineering Data，分别创建单向纤维增强复合材料UD_T700与中心层材料Corecell_A550，详细定义如下：3〉返回Project，打开DesignModeler界面，设置单位制：4〉创建草图：5〉生成surface：6〉双击Model，打开Mechanical界面，设置厚度（此处厚度设置与铺层厚度无关）：7〉网格设置，生成网格：8〉更新流程：9〉双击或者右键-Edit打开ACP，可以看到，Engineering Data中的材料已经自动导入ACP：10〉注意单位设置，另外，ACP操作的每一步都需点击update图标才能更新：11〉创建层板与厚度（Fabrics）：12〉创建Stackups：13〉创建子层合板Sub Laminate：14〉创建铺层参考方向Rosetts：15〉定义Oriented Selection Sets，Point选择几何上的任一点即可，带[]部分，点击[]，再点击左侧相关项，即可自动导入；其中三Resetts代表的是铺层材料的0°方向，16〉查看参考方向，铺层零度方向，以及法向等可点击工具栏图标，如下：17〉右键点击Modeling Groups，创建三个层组，命名如下：18〉在sandwich_bottom下进行第一个层设置，命名为bottom_1，如下：19〉在sandwich_core下进行第二个层设置，命名为core_2，如下：20〉在sandwich_top下进行第三个层设置，命名为top_3，如下：21〉更新，层定义应该如下图所示：22〉返回workbench主界面，更新ACP流程：拖拽Static Structural流程到界面，将ACP的A5连接到Static Structural的B4，选择传递壳数据，连接好的流程见下图：23〉更新结构分析流程，双击打开Mechanical界面，四条边固定支撑，面上施加0.1Mpa压力，边界条件设置如图：2.求解，点击Solve直接求解3.后处理1〉拖拽ACP(Post)流程到ACP(Pre)上，连接效果如下：2〉将Static Structural的结果Solution与ACP后处理的Results部分连接，求解结果文件将被读入到后处理模块，如图：3〉更新流程，保证静态分析与ACP前处理流程上都是绿色对勾标志，刷新ACP后处理的Results部分:4〉双击打开ACP(Post)，在Solution分支下查看变形结果，设置如下：5〉变形结果云图：6〉接下来，配置组合失效准则，创建复合材料结构的失效结果图，两种材料的强度极限最初在Engineer Data中已经定义好。

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 =。