ANSYS 复合材料层合板受压分析

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。

机械 2006年第12期 总第33卷 计算机应用技术 ·47·——————————————— 收稿日期：2006－08－02ANSYS 在复合材料应力分析中的应用李涛，樊庆文(四川大学 制造科学与工程学院，四川，成都 610065)摘要：介绍了ANSYS 在复合材料分析中的应用，以及选用分析单元的原则，分析表明复合材料的结构几何特征改变对复合材料应力分布有极大影响，ANSYS 提供了一种可行方法设计性能优良的复合材料。

关键词：ANSYS ；复合材料；应力分布中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006－0316（2006）12－0047－02Application in composite material stress base on ANSYSLI Tao ，FAN Qing-wen(School of Manufacturing Science and Engineering ，Sichuan University ，Chengdu 610065，China)Abstract ：The paper introduces that ANSYS soft using in composite material stress,It is shows that if composte material structure change that stress of composite change greatly, anasys provide a method for devise exellent composite material. Key words ：ANSYS ；composite material ；stress distribution复合材料具有重量轻，强度和刚度高，抗疲劳强度高，抗震能力强，结构的可设计性和加工工艺良好等优点，使其在航天航空、汽车、造船等各个领域得到了日益广泛的应用。

Ansys复合材料结构分析操作指导书Any10.0复合材料结构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Any是个不错的选择。

1、有限元分析方法应用简介有限元法(FiniteElementMethod，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(Any中称之为DOF(DegreeOfFreedom)，试想一下，节点的位移包括沿某,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。

2、Any软件的发展近况Any软件目前已发展到AnyV12版本，从V10开始Any加入了一个新的工作环境Workbench，原先的Any被称为Any(claic)，虽然操作界面不同，但两者的求解器是一样的。

Any(claic)的前处理功能相对较弱（主要是建模方面），因而往往需要借助第三方软件，如CAD软件。

也许是迫于另一个有限元分析软件ABQUS的竞争压力，Any推出了新的Workbench工作环境，Workbench在建模、划分网格、求解和后处理上都作了改进，尤其在建模和划分网格方面有了巨大进步，建模方面与传统CAD软件一样采用图形界面，极大地提高了图形的可视性，划分网格采用了AnyICEMCFD 的功能，使划分的网格更加易控，最重要的是免去了从第三方软件导入模型、网格过程中可能存在的各种问题，实现了真正的“无缝”连接。

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。

得分基于ANSYS的平面板材中心受力分析姓名：学号/序号：班级：基于ANSYS的平面板材中心受力分析摘要平面板材的中心受载荷作用的情况在日常生活和生产中很常见，平面板材在其中心受到载荷作用后，容易变形、损坏。

因此需要对平面板材主要受力及变形部位要给保护。

本文用PROE构建平面板材模型，并导入ANSYS进行形变及应力的分析，对平面板材在承受中心压力或拉力时各点的受力情况进行了研究。

得出了平面板材最大形变量和最大应力所在的点，以及应力、应变的变化规律，从而分析得出平面板材的加强筋应该设置为从中心向四周辐射的纵向，横向加强筋应该是内密外疏的蜘蛛网状才是最有效的。

同时本文还提出了本问题的进一步的研究方向。

关键词:平面板材中心载荷加强筋 PROE ANSYS一、平面板材相关数据本文为不失一般性，采用正十六边形的板材形状，对边的垂直距离为200毫米，厚度为2毫米，载荷作用于其中心直径2毫米的区域，四周的边界受约束。

载荷用1兆帕分析。

二、平面板材建模用PROE三维绘图软件建立平面板材模型，由于厚度方向的值比直径小很多，所以可以看做平面模型。

平面板材模型如图1所示。

图1：平面板材模型三、平面板材有限元模型将建立的平面板材模型导入ANSYS建立有限元模型，如图2所示。

图2：平面板材的有限元模型单元类型：SOLID45材料属性：45钢，EX=210E6MPA ，PRXY=0.3网格划分：自由划分，控制全局单元大小为5mm实体单元数目：40674四、载荷和约束加载平面板材受力一般是在其中心或者中心附近，而约束一般是在周围，本文在平面板材的边缘加约束，在中心加直径2毫米的区域内加载1兆帕，如图3所示。

图3：平面板材约束约束位置：平面板材的周围载荷位置：平面板材的中心直径2毫米区域载荷大小：1兆帕五、分析结果图4：平面板材中心受力的应变图图5：平面板材中心受力的应力图六、结论本文研究时赋予模型材料为45钢，其屈服强度为310MPA，抗拉强度为570MPA。

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。

最新ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析! ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析!学习重点：!1、熟悉复合材料的材料特点⼯程应⽤中典型的复合材料为纤维增强复合材料。

玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）、碳纤维、⽯墨纤维、硼纤维等⾼强度和⾼模量纤维。

复合材料各层为正交各向异性材料（Orthotropic）或者横向各向异性材料（Transversal Isotropic），材料的性能与材料主轴的取向有关。

各向异性Anisotropic，⼀般的各项同性材料需要两个材料参数弹性模量E和泊松⽐v。

⽽各向异性在XYZ有着不同的材料属性，⽽且拉伸⾏为和剪切⾏为互相关联。

定义其⼏何⽅程需要21个参数。

正交各向异性orthotropic，在XYZ有着不同的材料属性，⽽且拉伸⾏为和剪切⾏为⽆关，定义材料需要9个参数：Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz。

横向各向异性Transversal Isotropic，属于各向异性材料，但是在某个平⾯上表现出⼆维上的各向同性。

!2、熟悉复合材料分析所⽤的ANSYS单元复合材料单元关键在于能够实现铺层。

不同截⾯属性的梁单元（beam188, beam189, elbow290），2D对称壳单元（shell208, shell209），3D铺层壳单元（shell181, shell281, shell131, shell132），3D铺层实体单元（solid185, solid186, solsh190, solid278, solid279），均能实现复合材料的搭建。

其中Beam单元和2D对称壳单元很少使⽤。

SHELL91、SHELL99、SOLID46、SOLID191⽤于⼀些以前的分析教程中，但是现在这些单元已经被淘汰，最好选择下列单元区替代他们。

⽤越来越少的单元做越来越多的事情也是趋势。

Shell208和shell209，2D对称壳单元前者为2节点3⾃由度单元，后者为3节点3⾃由度单元，均能⽤于薄板和中厚板结构（L/h > 5-8）。

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。

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。