Ansys在复合材料结构优化设计中的应用_图文(精)

UG 和ANSYS 软件在结构分析及优化设计中的应用王东梅 何清瑞吉林大学 dm_wang@[摘 要]本文利用大型设计和分析软件UG 和ANSYS 建立了轻型客车车身的几何模型和有限元模型，对客车车身侧围两种骨架结构方案进行了强度，刚度和模态分析与对比。

最后以减轻车身自重为目标对车身结构进行了优化和灵敏度分析。

为客车车身的改进设计提供了帮助。

[关键词] 客车车身结构 强度 刚度 有限元分析 结构优化 轻量化1 前 言实例客车是国内某客车企业新开发的一种中型客车。

它采用了一汽客车底盘厂制造的专业客车底盘，开发了非承载骨架结构车身，整车造型优美，乘坐舒适。

为了使该型客车车身最大限度地满足强度刚度可靠性要求[1-4]，同时使车身的材料得到更充分的利用，即尽量降低车体自重，采用有限元和优化设计理论和试验相结合的方法对车身结构的强度、刚度及整车的承载性能进行综合分析是非常有意义的。

它可以提供设计人员有关的结构参数的影响因素，提高设计可信度，从而加速新产品定型。

本文的有限元分析主要内容包括：1)实例客车及改型车身(去掉侧围腰梁部位的若干斜撑)两种车体结构承载能力（强度、刚度）的变化；2) 实例客车与改型车身的振动频率的变化；3）以降低车重为目标对车身的结构参数的优化和灵敏度分析，提出减重的目标和措施。

2 有限元模型及计算在建立车身有限元模型时，首先在UG 软件上建立车身的几何模型，并利用PATRAN 中面向ANSYS 软件的有限元前处理功能划分有限元网格，使用软件ANSYS 的弹性4节点壳单元SHELL63、弹性3点梁单元BEAM4和弹簧元COMBIN14对整个客车进行离散化，共用SHELL63单元44930个，BEAM4单元44个，弹簧元4个。

在所建的有限元模型中，反映了车身各构件的真实厚度。

在分析时所用到的材料及其力学主要参数为,材料Q235;弹性模量（pa ）2.06E11;密度（kg/m 3）7.85E3;泊松比0.3屈服极限（Mpa ）295。

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。

结构线性静力分析一、问题描述分析如下图所示具有圆孔的矩形板在拉伸状态下的应力分布。

1.0 m×2.0 m的矩形板，厚度为0.03 m，中心圆孔直径为0.25 m，弹性模量为207GPa，泊松比0.3，端部受拉伸载荷600 N。

二、有限元分析步骤1)选用solid45单元。

2)定义材料系数。

弹性模量为207e9Pa，泊松比为0.3。

3)建立模型。

Modeling>create>volumes>block>by dimensions。

X1,x2;y1,y2;z1,z2分别取-1,1；-0.5,0.5；0,0.03，得到矩形板。

创建圆柱体：Modeling>create>volumes>cylinder>by dimensions，半径为0.125m，深度为0.03m。

进行布尔操作：Modeling>operate>booleans>subtruct>volumes，选择矩形板，点击apply，选择圆柱体，点击ok。

4)划分网格。

选择Utility Menu>WorkPlane>Display Working Plane，然后选择Utility>WorkPlane>Offset WP by Increments，在Offset WP对话框的Degrees框中输入：0,-90,0然后点击OK确定。

Modeling>Operate>Booleans>Divide>Volu byWrkPlane，选择Pick All，图形窗口中将显示模型被工作平面一分为二。

类似地，通过移动工作平面的位置，最后将几何模型剖分。

选择Modeling>Operate>Booleans> Glue>Volumes，在对话框中选择Pick All，将剖分开的各部分模型粘接在一起。

选择Size control>Lines>set，将圆孔周边的线段和中线小正方型的线段都设定为10段，厚度方向的线段设定为6段，然后选择Mesh处下拉菜单为volume，shape设定为sweep，点击sweep，然后点击select all，然后点击OK确定。

第5卷 第3期 中 国 水 运 Vol.5 No.3 2007年 3月 China Water Transport March 2007收稿日期：2007-3-15作者简介：余联庆 男（1972-） 武汉科技学院工业工程系 讲师 （430074） 研究方向：机械动力学、机械系统仿真技术基金项目：本文获湖北省教育厅教学研究项目“机械类计算机仿真技术课程体系与实践研究（20050326）”ANSYS 在结构优化设计中的应用余联庆 梅顺齐 杜利珍 饶 成摘 要：由于优化设计的基础理论涉及面较广，对设计人员的数学能力要求较高。

为了帮助设计人员更好地理解抽象的优化理论，提高其实际动手能力，本文介绍了如何利用有限元分析软件进行结构优化设计，建立了基于ANSYS 的结构优化设计流程图。

最后通过一个工程实例加以说明。

关键词：优化设计 ANSYS 有限元分析中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）03-0076-02一、引言优化设计是在数学规划的基础上发展起来的一门交叉学科，随着电子计算机的引入，它已迅速发展成为一种有效的新型工程设计方法。

机械结构设计应用优化设计方法较传统的设计方法一般可节省材料7~40%，并可获得最佳的结构尺寸。

近年来，基因（遗传）算法、猴王算法及模拟退火算法等新型算法又相继引入优化设计领域，扩大了优化设计的基础理论涉及面，对学生的数学基础要求也越来越高。

当设计人员在面对这些种类繁多而且抽象的优化理论时，普遍出现困难情绪。

在优化设计中引入计算机和成熟的商品软件，使结构优化设计的求解程序化、可视化，激发设计人员的求解兴趣，使得传统的优化设计增添了新的活力。

本文介绍了有限元分析软件ANSYS 在结构优化设计中的应用，使概念更具体化和形象化，提高了设计人员分析问题的基本技能和计算机操作与软件应用的能力。

二、结构优化设计的数学模型一般说来，优化设计方法不仅要求设计人员要了解所求解问题的工程背景，将设计问题转化为某种优化模型，而且还要懂得利用一门计算机编程语言来实现某种算法，这样他才能够完成优化设计。

第四章复合材料计算实例在有了前几章知识做铺垫，这一章我们来学习两个复合材料分析的例子，加深复合材料分析的理解，也希望读者能从中收获一些经验。

在这里将第二章的流程图再次拿出来，进一步熟悉ANSYS有限元分析的基本过程。

图7 Ansys 结构分析流程图4.1 层合板受压分析4.1.1 问题描述层合板指的是仅仅由FRP层叠而成的复合板材，中间不包含芯材，板材的性能不仅与纤维的弹性模量、剪切模量有关，还与纤维的铺层方向有着密切关系。

本例中的板材有4层厚度为0.025m的单元板复合而成，单元板的铺层方向为0°、90°、90°、0°，见图13所示。

单元板的材料属性见表4.1。

表 4.1 单元板材料属性EX/MP EY/MP EZ/MP GXY/MP GYZ/MP GXZ/MP PRXY PRYZ PRXZ12.5 300 300 50 20 50 0.25 0.25 0.01图13 复合材料板4.1.2 求解步骤根据问题描述，所要分析的问题为壳体结构的复合材料板，可以采用SOLID46单元建立3D有限元模型进行分析。

结合图7的一般步骤进行分析。

步骤一：选取单元类型，设置单元实常数⑴、在开始一个新分析前，需要指定文件保存路径和文件名。

文件保存路径GUI：【Utility Menu】|【File】|【Change Directory】见图14指定新的文件名GUI：【Utility Menu】|【File】|【Change Jobname】见图15所示图14 指定文件保存路径图15 修改文件名⑵、选取单元类型1）选取单元类型的GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Element Type】|【Add/Edit/Delete】，执行后弹出Element Types对话框。

2）在Element Types对话框点击Add定义新的单元类型，弹出“Library of Element Types”对话框，见图16所示，按图中所示选择，单元类型参考号输入框中输入数字1。

基于SolidWorks和ANSYS的复合支撑梁的优化设计摘要：铰链和支撑座相结合的复合支撑梁的结构，通常应用于大型钢结构平台中，传统的设计方法比较复杂。

借助SolidWorks软件方便快捷的三维建模能力和ANSYS软件强大的力学分析能力，并利用两种软件通用的数据交换格式，将两种软件结合使用，充分发挥各自软件的优势，大大提高了工程设计的工作效率和精度。

关键词：SolidWorks；ANSYS；复合支撑梁；优化设计引言ANSYS是一款以结构矩阵分析有限单元法（Finite Element Method）为理论基础的有限元分析软件，可应用于求解各种数学、物理问题。

如热传导、流体力学、电磁场以及结构力学等。

由于ANSYS具有度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，因此成为现代机械产品设计中的一种重要CAE工具。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows 开发的三维CAD系统，目前广泛应用于机械设计制造业。

将CAE和CAD两种软件相结合使用，可充分发挥各自软件的优势，大大提高工程设计的工作效率和精度。

铰链和支撑座相结合的复合支撑梁的结构，通常应用于大型钢结构平台中，由于受力形式相对复杂，普通的分析设计手段不能满足其要求。

本文作者通过应用CAD/CAE技术，优化了符合支撑梁的结构，改善了符合支撑梁的目前较传统的设计状况。

1 设计流程本文作者结合SolidWorks和ANSYS两种软件的各自优势，形成了以下设计思路，具体流程[1]如下（图1所示）：2 模型建立通常单独使用ANSYS软件建立复杂模型比较困难，而使用SolidWorks软件建模则简单很多。

SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品，该软件提供了当今市场上几乎所有CAD/CAE软件的输入/输出格式转换器，可进行不同文件格式的转换。

所以在使用SolidWork建模后，可方便的将模型文件转换成能被ANSYS软件识别使用的文件格式。

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。

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。

国家重点发展的航空航天、新能源等高科技领域，对掌握复合材料力学专业知识的人才需求日益增多。

为此，许多工科类高等院校开设了复合材料力学这门课程，其目的是使学生掌握复合材料力学的基础知识和研究方法，并运用所学知识解决传统层合复合材料或现代新型复合材料的各种实际力学问题。

然而，这门课程现有的教学资源匮乏、理论知识抽象、教学形式单一、课堂气氛沉闷等问题仍广泛存在，从而严重影响了该课程的教学质量。

针对这一现状，笔者在复合材料力学课程教学实践的基础上，提出了一种传统教学与ANSYS 软件应用相结合的教学方法。

一、复合材料力学课程教学存在的问题目前复合材料力学的课程教学主要存在以下几点问题，第一，课程内容相对抽象，学生学习积极性不高。

课程中除了对复合材料背景知识的讲解，大部分的内容是关于层合板力学性能理论分析的讲解，这些内容较为抽象难懂，所以除了一些学习较好的学生，大多数学生学习兴趣不高。

第二，课程理论综合性强，学生对知识的理解和接受困难。

该课程是一门理论综合性很强的课程，需要先修的基础课程包括高等数学、材料力学、弹性力学等。

在理论分析过程中，平衡（运动）关系、几何关系要用到上述基本知识，而复合材料本身又具有复杂的物理关系，从而使得理论推导过程非常复杂。

因此，在教学过程中，许多学生对知识的理解和掌握程度不够，独立解决问题能力差。

第三，课程实践性环节较少，学生对知识的应用能力差。

学习复合材料力学的目的是为了能应用所学知识进行复合材料构件的计算和设计，而数值模拟和实验是工程上进行复合材料力学研究的主要手段。

课程往往只讲述理论，没有安排实验和上机的环节，使学生不具备在工程实际中应用知识的能力。

面对以上问题，复合材料力学的教学改革势在必行。

理论教学、数值模拟教学和实验教学应紧密结合，才能提升课程的教学质量，才能满足社会对应用型人才的需求。

二、ANSYS 在复合材料力学课程中应用的优势随着计算机技术的发展，有限元分析软件已逐渐代替编程的手段来实现大型仿真计算。

ANSYS优化方法在结构设计中的应用田旺生，杨明旺，李黎霞（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）摘要：传统的结构设计，首先是凭借经验和判断做出结构的初始方案，包括总体布置、材料选择、结构尺寸和制造工艺等，然后进行结构分析，最后在力学分析的基础上校验其可行或不可行，必要时则进行多次方案修改。

在这样的设计程序中，结构分析只起到一种保证安全可行的校核作用。

而利用ANSYS进行优化设计分析，一次计算即可完成结构的应力和寻优计算，不但完成了结构计算，满足了设计规定的约束条件，且实现了目标最优。

本文重点介绍ANSYS软件的结构优化功能，通过APDL语言编程进行实例分析，说明优化设计在节省材料及结构设计方面的作用。

关键词：ANSYS；结构分析；优化设计；应力；位移1引言传统结构设计首先是凭经验做出结构的初始方案，然后进行力学校核，必要时进行多次方案修改，其主要缺点是重分析、重校核过程的次数太多，工作量太大而难以承受，难以找到合理的材料分布，不易做出较理想的既经济又安全的设计方案，所以说传统结构设计已难以满足工程的需要。

优化设计方法是现代设计方法的一种，是一种寻找结构最优设计方案的技术，所谓“优化设计”，指的是一种方案在满足所有设计要求的条件下所需的支出（如重量、面积、应力、费用等）最小，也就是说，优化设计方案就是一个最有效率的方案。

优化设计涉及的变量主要有3个：设计变量，状态变量，目标函数[1]。

设计变量（比如尺寸）为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。

状态变量（比如应力）是约束设计的数值，它们是“因变量”，是设计变量的函数。

目标函数（比如重量）是要尽量减小的数值。

优化设计的主要目的是求出一个或数个设计变量，使得目标函数值最小，并且这些解必须满足限制条件或设计参数。

换言之，优化设计是在限制条件的范围内，寻求目标函数的最小值，而限制条件视问题实际需求而定。

2优化设计方法在节省材料方面的应用场地施工需要配备2个营救吊篮，当人员在高处受伤或在高处被困需要营救时能及时将其转移至地面。

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S0LID191 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。