复合材料的一点资料

MPDATA,DENS,1,,7.82e-6 !*********Create Element Type********** ET,1,SOLID95 KEYOPT,1,1,1 KEYOPT,1,5,0 KEYOPT,1,6,0 KEYOPT,1,11,0 !*************************** CSYS,1 HS=80 !**create two keypoints along axial K,101,0,0,0, K,102,0,0,400, !**create keypoints K,1,61,0,0, K,2,HS,0,0, K,5,100,0,0, K,11,61,0,178, K,12,HS,0,178, K,15,HS+10,0,178, K,111,61,0,178, K,112,HS,0,178, K,115,HS+10,0,1wk.baidu.com8, K,21,61,0,2450, K,22,HS-4,0,2450, K,25,HS+6,0,2450, !*************************** !**create areas by keypoints FLST,2,4,3 FITEM,2,21 FITEM,2,111 FITEM,2,112 FITEM,2,22 A,P51X FLST,2,4,3 FITEM,2,22 FITEM,2,112 FITEM,2,115 FITEM,2,25 A,P51X !*************************** FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2
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。 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。 采用 ANSYS 程序对复合材料结构进行处理的主要问题如下： （1） 选择单元类型 针对不同的结构和输出结果的要求，选用不同的单元类型。 Shell 99 —— 线性结构壳单元，用于较小或中等厚度复合材料板或壳结构，一般长度方向 和厚度方向的比值大于 10； Shell 91 —— 非线性结构壳单元，这种单元支持材料的塑性和大应变行为； Shell 181—— 有限应变壳单元，这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料的非线性 行为； Solid 46 —— 三维实体结构单元，用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构； Solid 191—— 三维实体结构单元，高精度单元，不支持材料的非线性和大变形。 （2） 定义层属性配置 主要是定义单层的层属性， 对于纤维增强复合材料， 在这里可以定义单层厚度、 纤维方向等。 （3） 定义失效准则 支持多种失效准则， 不过我还是没有用他， 而是自己写了通过应力结果采用二次蔡胡准则程 序来判断的。 （4） 其他的一些建模技巧和后处理指导
工作平面是创建几何模型的参考(X,Y)平面，在前处理器中用来建模(几何和网格) 总体坐标系 在每开始进行一个新的 ANSYS 分析时，已经有三个坐标系预先定义了。它们位于模型的总 体原点。三种类型为: CS,0: 总体笛卡尔坐标系 CS,1: 总体柱坐标系 CS,2: 总体球坐标系 数据库中节点坐标总是以总体笛卡尔坐标系，无论节点是在什么坐标系中创建的。 局部坐标系 局部坐标系是用户定义的坐标系。局部坐标系可以通过菜单路径 Workplane>Local CS>Create LC 来创建。 激活的坐标系是分析中特定时间的参考系。 缺省为总体笛卡尔坐标系。 当创建了一个新的坐 标系时，新坐标系变为激活坐标系。这表明后面的激活坐标系的命令。菜单中激活坐标系的 路径 Workplane>Change active CS to>。 节点坐标系 每一个节点都有一个附着的坐标系。 节点坐标系缺省总是笛卡尔坐标系并与总体笛卡尔坐标 系平行。节点力和节点边界条件（约束）指的是节点坐标系的方向。时间历程后处理器 /POST26 中的结果数据是在节点坐标系下表达的。而通用后处理器/POST1 中的结果是按结 果坐标系进行表达的。 例如: 模型中任意位置的一个圆，要施加径向约束。首先需要在圆的中心创建一个柱坐标系 并分配一个坐标系号码(例如 CS,11)。这个局部坐标系现在成为激活的坐标系。然后选择圆 上的所有节点。 通过使用 "rep7>Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 选择节点 的节点坐标系的朝向将沿着激活坐标系的方向。 未选择节点保持不变。 节点坐标系的显示通 过菜单路径 Pltctrls>Symbols>Nodal CS。这些节点坐标系的 X 方向现在沿径向。约束 这些选择节点的 X 方向，就是施加的径向约束。 注意：节点坐标系总是笛卡尔坐标系。可以将节点坐标系旋转到一个局部柱坐标下。这种情 况下，节点坐标系的 X 方向指向径向，Y 方向是周向（theta） 。可是当施加 theta 方向非零 位移时， ANSYS 总是定义它为一个笛卡尔 Y 位移而不是一个转动 （Y 位移不是 theta 位移） 。 单元坐标系 单元坐标系确定材料属性的方向（例如，复合材料的铺层方向） 。对后处理也是很有用的， 诸如提取梁和壳单元的膜力。单元坐标系的朝向在单元类型的描述中可以找到。 结果坐标系 /Post1 通用后处理器中 (位移, 应力，支座反力)在结果坐标系中报告，缺省平行于总体笛卡 尔坐标系。这意味着缺省情况位移，应力和支座反力按照总体笛卡尔在坐标系表达。无论节 点和单元坐标系如何设定。 要恢复径向和环向应力， 结果坐标系必须旋转到适当的坐标系下。 这可以通过菜单路径 Post1>Options for output 实现。 /POST26 时间历程后处理器中的结 果总是以节点坐标系表达。
运行上述命令流，查看一下单元坐标，再把命令流中下列部分 FLST,2,4,3 FITEM,2,21 FITEM,2,111 FITEM,2,112 FITEM,2,22 A,P51X 改为： FLST,2,4,3 FITEM,2,22 FITEM,2,21 FITEM,2,111 FITEM,2,112 A,P51X 再看一下单元坐标。 ANSYS 坐标系总结 工作平面（Working Plane）
FLST,8,2,3 FITEM,8,101 FITEM,8,102 VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,90,1, TYPE, 1 MAT, 1 REAL, ESYS, 0 SECNUM, MSHAPE,0,3D MSHKEY,1 FLST,5,2,6,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,-2 CM,_Y,VOLU VSEL, , , ,P51X CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y VMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2
在我的分析工作中，主要采用了三维实体结构单元。 关于 Solid 46 单元 （1） Solid 46 是用于模拟复合材料厚壳或实体的 8 节点三维层合结构单元， 单元节点有 x,y 和 z 方向三个结构自由度，单元允许最多 250 层不同的材料； （2） 这种单元的定义包括：8 个节点、各层厚度、各层材料方向角和正交各项异性材料属 性，其中每层可以为面内两个方向双线性的不等厚层； （3） 在材料定义时，只需定义材料主方向和材料坐标系（单元坐标系）一致的材料参数， 不一致的复合材料层通过定义材料方向角 （该层材料主方向和材料坐标系所成的角度） 由程 序自动转换； （4） 通过选择不同的层直接在单元坐标下获取单元应力， 包括三个方向的应力和面内剪切 应力，而不需要通过应力应变的转换来获取； 复合材料是一种各向异性材料， 对于纤维增强复合材料又是一种正交各向异性材料， 因 此，在进行复合材料结构建模的时候要特别注意的一个重要的问题，就是材料的方向性。下 面，就我个人的分析经验，对复合材料结构的建模作一个总结。 1． 结构坐标系、单元坐标系、材料坐标系和结果坐标系 建立复合材料结构模型，存在一个结构坐标系，用于确定几何元素的位置，这个坐标可以 是笛卡尔坐标系、柱坐标系或者是球坐标系；单元坐标系是每个单元的局部坐标系，一般用 来描述整个单元； 材料坐标系是确定材料属性方向的坐标系， 一般没有专门建立的材料坐标 系，而是参考其他坐标系，如整体结构坐标系，或单元坐标系，在 Ansys 程序中，材料坐标 是由单元坐标唯一确定的，要确定材料坐标，只要确定单元坐标就行了；结果坐标系是在进 行结果输出时所使用的坐标系，也是一般参考其他坐标系。在 Ansys 程序中，关于坐标系有 人做过专门的总结。见附件。 2． 用于复合材料结构分析的单元 用于复合材料分析的单元主要有两类，一类是层合单元，如 Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和 Solid 191；另一类是各向异性单元，如 Solid64；这些材料都有不同的处理方法， 层合单元，在一个单元内可以包含多层信息，包括各层的材料、厚度和方向；各项各向异性 单元，在一个单元内，只能包含一种材料信息，而且所得到的计算结果还要进行一些处理， 因此有一定的局限性。 3． 单元坐标的一致性问题 在进行复合材料结构建模的时候， 有些时候结构几何比较复杂， 很难用统一的坐标来确定 单元坐标系，即使对一些规则的几何（如圆桶） ，在用旋转方法生成几何时，不同的面法向 也会带来单元坐标的不一致，这就使得材料输入的时候存在问题并使计算结果错误，因此， 在几何建模时要特别注意这一问题， 笔者也没有得到一些复杂几何进行单元划分时保持单元 一致的合适方法。 4． 一个实例 下面的命令流显示了不同的几何生成方法会产生不同的单元坐标方向： /PREP7 !******Create Material******* MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,2.068e8 MPDATA,PRXY,1,,0.29 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0