Ansys复合材料结构分析总结

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。

ANSYS分析报告引言：1.问题描述：在这个分析中，我们将研究一个承重结构的稳定性。

该结构由一根钢杆和两个支撑点组成，其中一端支撑固定，另一端加有外部力。

我们的目标是确定结构在受力情况下的位移和应力分布，并评估结构的稳定性。

2.建模与加载条件：我们使用ANSYS软件对该结构进行三维建模，并为其设置了适当的边界条件和加载条件。

钢杆的材料参数和几何尺寸通过实验测定获得。

加载条件设为一端受到垂直向下的力，同时另一端固定。

我们采用静态结构分析模块进行分析。

3.结果与分析：经过ANSYS分析，我们获得了结构的位移和应力分布情况。

在受力情况下，钢杆的位移主要集中在受力一侧，而另一侧的位移较小。

应力分布也呈现相似的趋势，受力一侧的应力较大，而另一侧的应力较小。

这是由于外部力对结构的影响导致结构发生变形。

4.结构稳定性评估：在评估结构的稳定性时，我们对结构进行了稳定性分析。

通过计算结构的临界载荷，我们可以确定结构在受力情况下的稳定性。

根据计算结果，结构的临界载荷大于所施加的外部力，说明结构是稳定的，不会发生失稳现象。

5.敏感性分析：为了进一步评估结构的性能，我们进行了敏感性分析。

通过改变结构的材料参数和几何尺寸，我们得到了不同条件下结构的位移和应力分布。

根据敏感性分析结果，我们发现结构的位移和应力对材料的弹性模量和截面尺寸非常敏感。

较高的弹性模量和更大的截面尺寸会使结构更加稳定。

结论：通过ANSYS软件进行的分析，我们得到了结构在受力情况下的位移和应力分布，并评估了结构的稳定性。

我们发现外部力对结构的位移和应力分布有明显的影响，但结构仍然保持稳定。

此外，结构的性能对材料参数和几何尺寸非常敏感。

综合分析结果，我们可以优化结构设计，以提高结构的稳定性和性能。

以上是对ANSYS分析报告的一个简单写作示例，可以根据实际情况进行适当调整和修改。

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。

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。

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）。

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、尺寸为的方形积层板，使用SI单位的碳纤维（Gr70%-Epoxy30%）为复材，铺层角为，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，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、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：（1）（2）（3）若定义：（4）（5）则上式可写成：（6）其中（7）现在假设刚度矩阵为挠度矩阵的逆矩阵，也就是：（8）第（8）式可改写成：（9）其中刚度矩阵（10）又由于和的关系式，因此，也就是，刚度矩阵为对称矩阵。

通常我们将当做依参数，利用来定义。

、、和则当做独立参数，由材料性质直接决定。

二维的正交材料的坐标转换二维的正交材料的坐标变换如图1-1所示。

YX╮╮╮旋转图1-1 二维材料坐标变换在上图中1、2代表单层材料的坐标系统，而X、Y则代表积层板的空间坐标系统。

当各层的材料方向，与积层板的坐标方向不同时，需要将刚度矩阵作坐标变换，也就是以X、Y坐标表示。

其应力转换关系式为：（11）其中是转换矩阵。

假设两坐标系统之间的夹角为，矩阵可表示为：（12）上式化简为：（13）然后，将主轴应力，以空间的坐标轴表示。

（14）其中为转换矩阵的逆矩阵，其内容如下：（15）由于习惯上剪应变都是以角表示，而角的值为剪应变的两倍，因此：（16）上式可表示为，其中称为转换矩阵，其内容如下：（17）因此可将应变坐标写成：（18）上式可表示为，其中的内容如下;（19）将列出如下：或者（20）对于空间坐标系统，也可写成如上的关系式：（21）依照式（11）和式（12）应力的关系，将主轴应力旋转至空间坐标系统，可对应变做同样的转换：（22）将（20）与（21）两式代入（22）式，可得：（23）重新整理式（23），将等式两侧同乘可得：（24）由前述（10）式知，将等式左侧的主轴应力，依照（14）和（15）的关系，旋转至空间坐标系统，并将（24）式代入，可得：（25）上式可简化如下：（26）其中：=(27)层积板中各层的刚度可以用下式表示。

a n s y s_复合材料分析第五章复合材料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。

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。

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。

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。

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。

ANSYS在玻璃钢-混凝土复合材料结构中的计算分析殷波（扬州大学水利与建筑工程学院土木工程系，扬州225009）摘要：混凝土结构由于受荷载变化、材料、施工质量等因素影响，会造成结构的强度、刚度不足，玻璃钢-混凝土复合材料结构则改善其性能。

本文通过ansys有限元软件计算，分析说明了玻璃钢-混凝土复合材料结构将有力的提高结构的强度和刚度。

关键词：ansys，混凝土、玻璃钢-混凝土、有限元、复合材料ANSYS’s calculation in glass fibre reinforced plastics- concretecomposite material structureYIN BO(Dept.of Civil Engin,Hydr and Civil Engin Coll, Yangzhou University, Yangzhou, 225009, China)Abstract: As the variety of load、material、constructional quality and so on ,concrete structure may be insufficient in intensity and rigidity. Glass fibre reinforced plastics- concrete composite material structure can improve its capacity. With the calculation of ansys, this paper indicate that glass fibre reinforced plastics-concrete composite material structure will raise the intensity and rigidity.Key words: ansys ,concrete, glass fibre reinforced plastics- concrete, finite element; composite material1．前言钢筋混凝土结构合理地利用钢筋和混凝土两种材料的力学性能，因而具有整体性、耐久性等优点。

ansys命令流学习笔记5-圆柱形shell单元的复合材料分析! ANSYS命令流学习笔记15-圆柱形shell单元的复合材料分析!学习重点：!1、熟悉单元坐标系下的铺层当零件形状为规则圆筒时，如何进行铺层？建立局部的柱坐标系，将需要铺层单元坐标设置为局部坐标系，进行铺层即可。

譬如圆筒铺层的单元坐标系要建立局部圆柱坐标系。

如果还使用笛卡尔坐标系，铺层也能进行，但是铺层方向有很大不同，求解结果也会异常。

所以划分网格时，确认单元坐标系选择，划分网格之后，检查单元坐标系情况。

确认铺层方向符合预期要求。

本例中要特别注意横向（即Y向）是否符合要求。

!2、熟悉圆面的建模和局部坐标系建立不解释!3、熟悉利用MPC施加扭矩APDL如何对一个圆周施加扭矩？在圆心处建立一个节点，然后用MPC单元连接圆心节点和圆周节点，然后在圆心节点上施加一个扭矩即可。

注意将MPC单元的属性改为刚性梁。

注意这里MPC单元的利用，也是自己的一些理解。

很多细节也不知道如何在APDL实现。

!问题描述! 传动轴长度为1m，壁厚0.003m，直径0.08m，铺层共十层，角度为-45/45/-45/45/-45/45/-45/45/-45/45。

一端固定，一端圆周施加扭矩M=2000N·m。

复合材料为横向正交各向异性Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz分别为195e9Pa, 35e9Pa, 35e9Pa,0.28, 0.3, 0.3, 15e9Pa, 3.78e9Pa, 15e9Pa。

应力失效参数：+X:767E6Pa; -X:392E6Pa; +Y:20E6Pa; -Y:70E6Pa; +Z:30E6Pa; -Z:55E6Pa; Sxy: 41E6Pa; Syz: 30E6Pa; Sxz:41E6Pa。

应变失效参数：+X:0.05; -X:0.045; +Y:0.08; -Y:0.06; +Z:0.04; -Z:0.045; Sxy: 0.035; Syz: 0.042; Sxz:0.025。