基于Ansys的颗粒增强复合材料力学行为分析

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。

基于ANSYS的复合固体推进剂力学响应分析
基于ANSYS的复合固体推进剂力学响应分析
在点火瞬态过程中的内压载荷与轴向过载作用下,对固体推进剂药柱进行了三维线性粘弹性有限元分析.通过软件参数化设计语言编程实现不同的.轴向过载与改变药柱的局部结构,分别计算了药柱在点火瞬态过程中的应力、应变及位移场,并讨论了以上因素对药柱结构完整性的影响,为药柱的结构可靠性分析与寿命预估提供了一定的参考.
作者：邓斌许俊松李冬 DENG Bin XU Jun-song LI Dong 作者单位：海军航空工程学院,山东,烟台,264001 刊名：航空计算技术ISTIC 英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE 年，卷(期)： 2009 39(6) 分类号： O242.21 关键词：点火瞬态过程有限元法结构完整性。

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。

颗粒增强金属基复合材料论文：基于周期性边界条件的颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的数值模拟【中文摘要】材料在非对称应力循环加载时,由于平均应力的存在,导致塑性应变沿平均应力方向积累,这种应变积累称为棘轮应变或棘轮效应(ratcheting)。

由于复合材料内部结构的复杂性,对其棘轮效应进行的研究成为了难点与热点,并出现了不少实验及理论方面的研究成果。

近年来,得益于计算机的迅猛发展,将有限元软件应用到对复合材料棘轮效应的数值模拟研究中,不仅大大提高了计算效率,而且加快了实验及理论的研究进度。

本文采用3D弹塑性有限元模型对SiCp/6061Al复合材料的棘轮行为进行研究：(1)借助已有循环本构关系的有限元实现,采用随机序列吸附(RSA)和统计平均方法,建立3-D多颗粒单胞模型对SiC颗粒增强6061A1合金复合材料的单拉行为、单轴棘轮行为进行有限元分析,结果表明：单个数值模拟结果往往具有较大分散性,统计平均方法降低了模拟结果分散性,使所得规律具有较高的可信性。

(2)通过Hypermesh软件辅助建立可施加周期性边界条件的三维有限元单胞模型。

分别采用周期性边界条件与简化边界条件对SiC颗粒增强6061Al合金复合材料的单轴循环变形行为进行模拟,结果表明：两种边界条件的计算结果有较大的差别；与试验结果相比,周期性边界条件比简化边界条件更加合理。

(3)使用施加了周期性边界条件的三维有限元单胞模型,模拟SiC颗粒增强6061A1合金复合材料在单轴加载条件下的单拉及棘轮行为,讨论增强颗粒的尺寸颗粒形状以及分布方式等微结构效应对复合材料力学性能的影响。

发现：颗粒数目越多、尺寸越小,复合材料抵抗变形的能力越强；颗粒的边界越尖锐,对复合材料的增强效果越好；颗粒堆积分布,复合材料的流动应力越高。

【英文摘要】When the materials and structures subjected to a cyclic stressing with non-zero mean stress, a cyclic accumulation of inelastic deformation will occur in the direction of average stress, which is called ratchetting. Due to the complicated internal structure of the composites, the research of the ratchetting effect of the composites is very difficult. Domestic and international scholars had a lot of researches, and attained valuable experimental and theoretical achievements. Recently, following the rapid development of computer, finite element softwares have been used in numerical simulation for the ratchetting effect of the composites, which greatly improve the calculation efficiency and accelerate the experimental and theoretical researchprogress.Three-dimensional elastic-plastic finite element models were used to analyze the ratchetting behavior ofSiC/6061Al composites:Firstly, the effects of stochastic properties of SiC particles on the ratchetting behavior of SiC/6061Al composites were numerically analyzed by employinga 3D multi-particulate unit cell and using an existed cyclic constitutive model. A 3D multi-particle unit cell containing randomly distributed particle was generated by Random Sequential Adsorption (RSA) method in the simulation. It is shown from the results that:results of the single numerical simulation indicated dispersion. The introduction of statistical method decreases the dispersibility of the simulation results, the reliability of results were highly increased.Secondly, the three-dimensional simulation model, which can be applied in periodic boundary conditions, had been built by used Hypermesh. The periodic boundary conditions and simplified boundary conditions were used to simulate the cyclic deformation behaviors of SiC/6061Al composites. It is shown from the results that:there is a relatively large deviation for calculating results under two kinds of boundary conditions, and the numerical results with periodic boundary conditions satisfy experimental data, showing the result is more reasonable.Thirdly, simulate the monotonic tensile and ratchetting behaviors of SiC/6O61Al composites with periodic boundary condition. The microscopic features, such as the particulate shape, numbers and size as well as the arrangement, were concerned in the numerical simulation of the ratchettingmechanical properties of the composites. It is concluded that increasing the particulate numbers and decreasing particulatesize contained in the unit cell can enhance the reinforcementof the particles. The boundary of the particulate is more poignant, the reinforcement of the particles is more enhanced; increasing the stacking density of the particles can enhancethe flow stress of the composites.【关键词】颗粒增强金属基复合材料棘轮行为随机分布统计平均周期性边界条件【英文关键词】particle reinforced metal matrix composite ratcheting random sequential adsorptionstatistical method periodic boundary condition【目录】基于周期性边界条件的颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的数值模拟摘要6-7Abstract7-8第1章绪论11-19 1.1 复合材料棘轮效应的研究意义11-12 1.2国内外研究现状12-17 1.2.1 复合材料变形行为的实验研究现状12-14 1.2.2 复合材料变形行为的理论研究现状14-15 1.2.3 复合材料变形行为的有限元分析研究现状15-17 1.3 现有研究的不足17-18 1.4 本论文的主要工作18-19第2章颗粒随机分布理论以及统计平均化理论19-29 2.1 颗粒随机分布理论19-23 2.1.1 颗粒随机分布理论的意义19-20 2.1.2 颗粒随机分布理论的数值实现20-23 2.2 统计平均原理23-24 2.3 颗粒随机分布理论与统计平均原理的应用24-28 2.3.1 有限元模型及材料参数24 2.3.2 统计平均理论的模拟结果和讨论24-25 2.3.3 颗粒分布方式及其随机特性的影响25-28 2.4 本章小结28-29第3章周期性边界条件29-43 3.1 周期性边界条件的意义29-32 3.2 周期性网格的建立32-36 3.2.1 Hypermesh软件介绍32-33 3.2.2 Hypermesh软件周期性网格的建立过程33-34 3.2.3 节点耦合方程的建立34-36 3.3 周期性边界条件在复合材料数值模拟中的应用36-40 3.3.1 有限元模型及加载条件36 3.3.2 结果分析与讨论36-40 3.4 单元类型对复合材料棘轮行为的影响40-42 3.5 本章小结42-43第4章颗粒数目对复合材料棘轮行为的影响43-50 4.1 有限元模型及参数44-45 4.1.1 有限元模型44-45 4.1.2 材料参数45 4.2 模拟结果的分析与讨论45-48 4.3 本章小结48-50第5章颗粒形状对复合材料棘轮行为的影响50-56 5.1 有限元模型及材料参数50-51 5.2 模拟结果及讨论51-55 5.2.1 颗粒形状对复合材料力学性能的影响52-55 5.2.2 分析与讨论55 5.3 本章小结55-56结论56-58致谢58-59参考文献59-68攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果68。

基于Ansys的颗粒增强复合材料力学行为分析陈晨力学与工程学院，结构2010-01班，20104336【摘要】本文中，将以T6热处理的SiC p/6061A1合金复合材料为研究对象，在细观分析模型的基础上，建立一定的体积代表性单元，将颗粒和基体作为两种材料建立模型，通过施加适当的边界条件，得出复合材料的应力场和应变场，然后进行体积平均，得到等效应力和等效应变，从而对该复合材料的单轴循环应变行为进行有限元分析。

【关键词】固体力学，复合材料力学，Ansys有限元分析1•问题描述颗粒增强铝基复合材料由于其质量轻，刚性好和良好的耐高温性能以及低廉的生产成本和宏观各向同性性能，目前已广泛用于航空航天、机车车辆、运动器械和汽车工业中，例如自行车主架、飞机腹板、汽车传动轴、连杆以及活塞等。

这些由复合材料制成的结构构件通常承受的是一种复杂的、非比例的循环交变载荷的作用。

本文主要分析单颗粒增强复合材料，利用Ansys软件将颗粒和基体作为两种材料建立模型，通过施加适当的边界条件得出复合材料的应力场和应变场，进行体积平均得到等效应力和等效应变，从而计算出复合材料的力学性能。

在有限元模型中，各尺寸满足R4=4r3/3V f H且H = 2R。

边界条件为对称边界条件。

分析中，SiC p颗粒的弹性模量E p =460GPa，泊松比p =0.25，基体为T6061铝合金，采用Chaboche随动硬化率，材料参数如下表1所示。

由于代表性单元的轴对称性，图2中只给出了其基面的1/4。

加载方式如图3。

图1颗粒增强复合材料的理想化模型2.建立模型完整的前处理过程包括：设定分析模式；定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。

下面就结合本实例进行介绍。

2.1选择分析模式选取菜单项 Main Menu|Preferenee ，将弹出 Preferenee of GUI Filtering （菜单过滤参数 选择）对话框（图 4）选中Structural 复选框，以便 Ansys 的主菜单设置为与结构分析相对 应的菜单选项。