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材料工程特性参数转换在复合材料壳体有限元分析中的应用刘彬 岳中第（北京航空制造工程研究所）摘 要：对于多层缠绕的纤维复合材料壳体，其纤维材料呈现正交各向异性的性质，而且每层都有不同的缠绕方向。
因此，在采用轴对称单元进行有限元分析时，必须对此种性质材料的材料特性进行处理转换。
本文就是尝试根据基本力学方程，对不同缠绕方向的纤维层材料，即不同材料坐标系下的特性参数等效到统一坐标系。
然后利用ANSYS 的轴对称单元对壳体进行整体非线性分析。
分析结果表明，计算结果与实验结果吻合较好，此转换是可行的，且优于使用壳单元所得结果。
1 应用背景概述在对结构进行有限元分析时，结构材料的工程常数是一组非常重要的特性参数。
必须确保程序输入的材料的工程常数的准确性，才能保证有限元分析结果的正确性和有效性。
对于简单的各向同性材料，可看作每一个平面都是对称面，每一个方向都是弹性对称轴，也即其体内每一点的任意方向上的弹性性质都相同。
因此，对于各向同性材料，弹性常数对任意正交坐标系是不变的。
而各向异性材料最突出的特点，就是它的方向性，各向异性材料的弹性系数是方向的函数，它们和坐标的取向有关。
我们在利用ANSYS 有限元程序对纤维增强复合材料气瓶进行应力分析时，就遇到了如何正确确定复合材料弹性常数的问题。
因为多层复合材料缠绕结构中，不同的缠绕层有不同的缠绕方向，也就是不同的纤维缠绕层有不同的材料坐标系。
而我们知道复合材料与均质各向同性材料的主要本质差别在于：即使在宏观上看，也会呈现出明显的非均质各向异性，尤其纤维增强复合材料的各向异性特性显得更加强烈。
也即是说纤维增强复合材料在不同的坐标方向上有不同的弹性特性。
通过材料实验所得到的是材料主轴坐标方向上的弹性系数值，而利用ANSYS 进行有限元分析时，程序要求输入的是与系统整体的求解坐标系相一致的弹性参数。
因此，对于有着不同缠绕方向的多层复合材料来说，就存在将弹性系数由材料主轴坐标系向系统整体坐标系进行转换的问题。
复合材料副翼结构分析及方法研究摘要：对复合材料副翼结构进行数字化建模，通过初步模型-无螺栓连接模型静力分析，确定结构主要承载区并进行优化模型-部分螺栓连接模型静力分析，对比位移、应变结果，螺栓对副翼结构的力学性能的存在影响，强度满足要求。
基于三维Hashin失效准则对副翼进行大载荷渐进损伤分析，随着载荷的不断增大，副翼上翼面2、3号肋与梁交汇区发生损伤破坏，失效模式主要为纤维拉伸失效和剪切失效，损伤演化主要由一点水平向两边扩展，90°方向铺层损伤最为严重。
关键词：高超声速飞行器，复合材料副翼，损伤0 引言高超声速飞行器在飞行过程中机翼结构会承受较大的气动载荷，气动力推动翼面发生弯曲变形、蒙皮结构面临撕裂、挤压等破坏，飞行器的安全性面临巨大挑战，因此需要对复合材料翼面结构进行有限元分析。
陈亚军[1]等基于经典层合板理论对复合材料加筋壁板进行了有限元分析，包括纯弯曲载荷下的静强度分析，选取三维Hashin失效准则进行渐进损伤分分析，对蒙皮与长桁之间的脱粘、损伤的演化进行仿真预测。
同样，本文对聚酰亚胺复合材料副翼结构进行有限元建模，通过静力分析进行模型优化，得到部分螺栓连接模型，再次进行静力分析，对比前后分析结果，考核其静强度、刚度，选取三维Hashin失效准则对副翼结构进行渐进损伤失效分析，研究其失效机理。
1 静力分析1.1 副翼结构介绍复合材料副翼结构由上下蒙皮、梁、肋、筋、螺栓、接头组成，梁位于副翼内侧；肋垂直于梁分布，沿翼缘逐渐变薄，呈三角状，依据腹板厚度不同分两种肋1和肋2，交错排列，肋1腹板为实心，肋2腹板为中空；蒙皮分上下2块，包裹整个框架；筋垂直分布于各肋之间，与蒙皮相连；各部件之间通过螺栓相连，蒙皮、梁、肋、筋为聚酰亚胺复合材料，螺栓材料为T4钛合金，接头材料为45号钢，副翼结构分布如图1所示。
1.2 有限元建模应用Ansys Workbench对副翼进行有限元分析，首先建立无螺栓连接模型（模型1），上下蒙皮、梁、肋、筋为2D模型，接头为3D模型，然后将各部件装配，各部件之间定义为全约束连接。
第⼆章压电复合材料有限元分析⽅法（恢复）第⼆章压电复合材料有限元分析⽅法2.1 1—3型压电复合材料常⽤的研究⽅法第⼀、理论研究，包括利⽤细观⼒学和仿真软件进⾏数值分析的⽅法。
⼈们对1-3型压电复合材料宏观等效特征参数进⾏研究时，从不同⾓度出发采⽤了形式多样的模型和理论，其中夹杂理论和均匀场理论具有代表性。
夹杂理论的思想是，从细观⼒学出发，将1-3形压电复合材料的代表性体积单元（胞体）作为夹杂处理。
求解过程中，使⽤的最著名的两个模型为：Dilute模型和Mori-Tanaka模型。
夹杂理论的优点是其解析解能较好地反映材料的真实状况，解精度较⾼；缺点是其解题和计算过程烦琐，有时⽅程只能⽤数值⽅法求解。
均匀场理论的思想是基于均匀场理论和混合定律，同时借助1-3型压电复合材料的细观⼒学模型导出其宏观等效特征参数。
其基本的研究思路是：假设组成复合材料的每⼀相中⼒场和电场均匀分布，结合材料的本构⽅程得到1-3型压电复合材料的等效特征参数。
Smith，Auld采⽤此理论研究了1-3型压电柱复合材料的弹性常数、电场、密度等等效特征参数。
Gordon，John采⽤此理论研究了机电耦合系数、耗损因⼦、电学品质因⼦等等效特征参数。
Bent, Hagood 和Yoshikawa等基于此理论对交叉指形电极压电元件等效特征参数进⾏了研究。
均匀场理论优点在于物理模型简单，物理概念清晰，计算也不复杂，并具有相当的精度和可靠性；不⾜在于其假设妨碍了两相分界⾯上的协调性。
有限元作为⼀种⼴泛应⽤于解决实际问题的数值分析⽅法，将其引⼊压电复合材料研究中具有重要的意义。
John，Gordon等⽤有限元⽅法分析了1-3型压电柱复合材料中压电柱为⽅形柱、圆形柱、⼆棱柱时的⼒电耦合系数及其波速特性，得到了压电柱在⼏何界⾯不同的情况下的等效⼒电耦合系数及等效波速曲线。
第⼆、实验研究。
Helen，Gordon等对1-3型压电复合材料的宏观等效特征参数进⾏了理论和实验研究，结果表明两者符合良好；LVBT等运⽤了1-3型压电复合材料进⾏了声学⽅⾯的控制取得了良好的效果；John，Bent等对压电纤维复合材料的性能进⾏了深⼊的研究，结果显⽰压电纤维复合材料在⾼电场、⼤外载荷环境下具有优良的传感和作动性能。
复合材料夹层结构分析复合材料夹层结构是指由两个或多个不同材料组成的结构，每个材料在夹层结构中的分布和相互作用对整个结构的性能起着重要的影响。
本文将从夹层结构的组成、分析方法和应用领域三个方面进行介绍，并重点探讨夹层结构的应力分析、强度计算和疲劳寿命预测等方面的问题。
夹层结构的组成可以有很多种形式，例如纤维增强复合材料夹层结构、金属-复合材料夹层结构、复合材料-塑料夹层结构等。
其中，纤维增强复合材料夹层结构是最常见的一种形式。
在纤维增强复合材料夹层结构中，一般由多层纤维增强复合材料板材和粘接剂层组成。
其中，板材是由纤维和基体材料复合而成的，粘接剂层用于将不同板材连接在一起。
夹层结构的分析方法可以通过有限元分析、理论分析和试验分析等途径进行。
其中，有限元分析是最常用的分析方法之一、有限元分析可以通过将夹层结构离散化成有限个小单元，然后利用数值方法求解得到夹层结构的应力、应变和变形等信息。
在进行有限元分析时，需要考虑夹层结构的几何形状、材料特性和加载方式等因素，并选择合适的有限元模型和边界条件。
夹层结构的应力分析是夹层结构分析的关键一步。
应力分析可以通过解析方法、数值方法和试验方法进行。
在解析方法中，常用的有层合板理论、三维理论和剥离理论等。
层合板理论是最常见和简化的一种方法，它假设夹层结构是一个薄板，在板厚方向上应力变化不大。
三维理论则考虑了夹层结构的厚度效应，可以更准确地描述夹层结构的应力分布。
而剥离理论则主要用于描述夹层结构在受剪力作用下的剥离破坏。
夹层结构的强度计算是夹层结构分析中的另一个重要内容。
强度计算可以通过解析方法和试验方法进行。
在解析方法中，常用的有杠杆平衡法、层合板理论和损伤力学等。
杠杆平衡法可以用于计算夹层结构的最大弯曲应力和最大剪应力等。
层合板理论可以用于计算夹层结构的最大应力和最大应变等。
而损伤力学则可以用于描述夹层结构的疲劳寿命和损伤演化过程等。
夹层结构的疲劳寿命预测是夹层结构分析的重要内容之一、疲劳寿命预测可以通过数值模拟和试验验证相结合的方法进行。
abaqus复合材料Abaqus复合材料。
Abaqus是一款强大的有限元分析软件，广泛应用于工程领域的结构分析、材料仿真等方面。
在复合材料领域，Abaqus更是被广泛使用，因为它能够准确地模拟复合材料的力学行为，为工程师提供重要的设计和优化信息。
复合材料是由两种或两种以上的材料组成的材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑等领域。
Abaqus在复合材料的分析中发挥着重要作用，下面将介绍Abaqus在复合材料分析中的应用。
首先，Abaqus可以准确地模拟复合材料的各向异性特性。
复合材料的各向异性是指材料在不同方向上具有不同的力学性能，这对于工程设计来说是非常重要的。
Abaqus可以通过定义合适的材料模型和参数来准确地描述复合材料的各向异性特性，从而为工程师提供可靠的仿真结果。
其次，Abaqus能够模拟复合材料的损伤和破坏行为。
复合材料在使用过程中会受到各种外部载荷的作用，可能会发生损伤和破坏。
Abaqus可以通过使用适当的本构模型和损伤模型来模拟复合材料的损伤和破坏行为，帮助工程师预测材料的寿命和安全性能。
此外，Abaqus还可以进行复合材料的结构优化设计。
复合材料的结构设计需要考虑材料的各向异性、损伤和破坏行为等因素，这对工程师来说是一个复杂的问题。
Abaqus可以通过结合有限元分析和优化算法，帮助工程师进行复合材料结构的优化设计，提高材料的性能和效率。
总之，Abaqus在复合材料分析中具有重要的应用价值。
它可以准确地模拟复合材料的各向异性特性，损伤和破坏行为，以及进行结构优化设计，为工程师提供重要的设计和优化信息。
相信随着Abaqus软件的不断发展和完善，它在复合材料领域的应用将会更加广泛，为工程设计和科研工作带来更多的便利和帮助。
