复合材料结构三维有限元分析的材料参数(精)

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。

ansys acp复合材料层合板的强度有限元计算ANSYS ACP（Advanced Composite Products）是一款专业的复合材料模拟软件，它可以模拟材料的力学性能、热性能、电性能等多个方面。

利用ANSYS ACP，可以对多种复合材料层合板的强度进行有限元计算，如碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）等。

下面我们将从以下几个步骤来阐述如何利用ANSYS ACP进行CFRP层合板的强度计算。

步骤一：材料建模首先需要在ANSYS ACP中进行材料建模，设置合适的属性参数。

在这一步骤中需要输入的参数包括复合材料层厚度、纤维体积分数、成型方式等。

同时，需要输入材料的弹性模量、剪切模量、泊松比等参数。

步骤二：几何建模在建立完复合材料的材料模型之后，需要进行几何建模。

可以通过手动建模或者借助CAD软件对待分析物件进行建模。

设计文件包括要分析的结构的几何尺寸、荷载信息、边界条件等。

步骤三：网格划分完成几何建模后，需要进行网格划分，将待分析物体切分成若干个小单元，以利于计算。

可采用ANSYS ACP软件自带的网格划分功能，通过设置划分因子和增量因子，得到合适的网格布局和尺寸。

步骤四：载荷设置载荷设置是本次分析的关键，需要根据实际情况设置合适的载荷。

在这里可以设置弯曲荷载，压缩荷载，剪切荷载等，以及总载荷的方向和大小。

步骤五：约束条件设置设定约束条件对于分析的结果也有着重要的影响。

例如，在本次分析中可以设置在板的两端给出固定支座约束（boundary）条件。

步骤六：计算结果的查看完成以上步骤之后，可以开始进行强度有限元计算。

ANSYS ACP会自动求解产生相关计算结果，如材料强度，应力分布等。

需要注意的是，本次分析的结果只是基于材料模型和载荷等参数的理论计算结果，并不能与实验结果完全吻合。

通过以上步骤的学习，读者可以初步掌握如何使用ANSYS ACP对复合材料层合板的强度进行有限元分析。

简介：由压电陶瓷相和聚合物相组成的压电复合材料是本世纪70 年代发展起来的一种多用途功能复合材料。

由于柔性聚合物相的加入, 压电复合材料的密度( Q) 、声阻抗( Z ) 、介电常数( E) 都降低了; 而复合材料的优值( d hgh) 和机电耦合系数( k t)却提高了, 这使压电复合材料能在水听器、生物医学成像、无损检测、传感器等诸多方面被广泛地用作换能器。

作为水听器应用的压电材料要求有较大的静水压压电常数。

现阶段研究较多的是0- 3 型和1- 3 型, 其他类型的压电复合材料也有相应的研究研究历史：1972 年, 日本的北山- 中村试制了PVDF- BaTiO3 的柔性复合材料, 开创了压电复合材料的历史。

70 年代中后期, 美国宾州大学材料实验室开始研究压电复合材料在水声中的应用, 并研制了1-3 型压电复合材料。

R E Newnham、D P Skinner、KA Klicker 、T R Gururaja 和H P Savakus 等人进行了大量的理论和实验研究工作, 测试了不同体积含量的压电复合材料的特性。

80 年代初以后, 美国加州斯坦福大学的B A Auld、Y Wang 等人建立了PZT 柱周期排列的1 -3 型压电复合材料的理论模型、并分析了其中的横向结构模。

美国纽约菲利浦实验室的W A Smith 等人也做了与上类似的工作。

与此同时, 以及随后几年, 许多国家也相继开展了压电复合材料的研究, 如澳大利亚的L W Chan 等、日本的Hiroshi Takeuchi 等。

一些研究工作者还利用压电复合材料制作了换能器, 如日本的Chitose Nakaya 等、英国的G Hayward 和R Hamilton 等人。

定义：在压电复合材料中,各相以0、1、2、3维的方式连通,如果复合材料由两相构成,则存在10种连通方式,即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3型。

含分层损伤复合材料结构现状分析一、工程背景纤维增强复合材料的力学性能具有可设计性，并且与金属材料相比具有比强度高和比刚度高的优点，因此复合材料在各个领域，特别是航空航天领域得到了越来越广泛的应用。

在航空领域中，复合材料结构件在飞机机体结构中所占比例大幅度提高，目前一些先进飞机的复合材料结构件重量已占全机结构重量的25%～65%现代航空发动机为了获得高的推重比，大量采用高强度、轻质的钛合金和复合材料。

早在七十年代，国外一些大的航空发动机制造公司就已经开始把各种先进复合材料应用于燃气涡轮发动机。

F110、F404、M88等发动机都采用了碳纤维增强树脂基复合材料的外涵机匣。

除了应用于静子部件外，碳纤维增强树脂基复合材料还被GE公司应用于GE90发动机的风扇叶片上，该叶片采用全复合材料结构，由石墨纤维环氧预浸带制成。

我国某型涡轮风扇发动机也采用了由碳纤维树脂基复合材料层合板制成的外涵机匣，减重效果明显。

然而，复合材料结构在生产和使用过程中会不可避免地出现各种缺陷或损伤。

由冲击事件、制造过程中的工艺不完善和疲劳载荷等引起的分层损伤是复合材料层合结构主要的损伤形式之一。

这种损伤会引起复合材料层合结构的强度和刚度的降低。

而较低的复合材料层合结构层间性能，在外载荷的作用下可能引发分层的扩展，导致层合结构在远低于设计值时发生结构破坏。

所以研究含分层损伤的层合结构在外载荷作用下的损伤模式及最终的破坏载荷具有重要的意义。

本课题的研究目的就是从工程实际应用出发，针对含初始分层复合材料层合结构，发展一种三维有限元逐渐累积损伤分析技术（包括分析模型与分析方法）。

考虑子板屈曲以及子板之间的接触对层合结构的损伤模式和最终破坏载荷的影响，模拟含分层损伤的层合结构的纤维断裂、基纤剪切、基体开裂和分层四种损伤类型的损伤起始、扩展直至最终破坏的整个过程。

以ANSYS软件为有限元计算平台，应用本论文所发展的模型和方法对含初始分层损伤的某航空发动机复合材料结构件进行损伤及扩展规律分析，从而确定该结构件是否还可以继续安全使用。

一、概述随着工程材料科学的发展，复合材料作为一种新型材料得到了广泛的应用。

它具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，因此在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到了广泛的应用。

在abaqus有限元分析中，复合材料的堆叠方向对材料的性能有着重要的影响。

二、复合材料的堆叠方向1. 定义复合材料的堆叠方向是指复合材料中纤维的排列方向。

通常复合材料是由多个方向不同的纤维叠加而成，这些纤维的堆叠方向对材料的力学性能、传热性能、电磁性能等都有着重要的影响。

2. 堆叠方向的分类复合材料的堆叠方向通常可以分为单向堆叠、双向堆叠和多向堆叠三种。

- 单向堆叠单向堆叠是指所有的纤维都沿着同一个方向排列。

这种堆叠方式使得复合材料在这个方向上具有很高的强度，但在垂直于这个方向的力学性能较差。

- 双向堆叠双向堆叠是指复合材料中的纤维沿着两个方向排列。

这种堆叠方式可以使得复合材料在这两个方向上都有较高的强度，但是强度方向较多向堆叠要弱。

- 多向堆叠多向堆叠是指复合材料中的纤维沿着多个方向排列。

这种堆叠方式可以使得复合材料在多个方向上都有较高的强度，但在特定方向上的强度较单向堆叠要弱。

3. 堆叠方向的选择选择合适的堆叠方向可以使得复合材料在特定的应用场合有更好的性能。

- 在承受受拉力较大的部位，可以选择单向堆叠，以获得更高的拉伸强度。

- 在承受受压力较大的部位，可以选择双向堆叠，以获得更高的压缩强度。

- 在需要在多个方向上具有较高强度的部位，可以选择多向堆叠。

三、abaqus中的堆叠方向模拟在使用abaqus进行复合材料的有限元分析时，需要考虑材料的堆叠方向对模拟结果的影响。

1. 材料定义在abaqus中，需要在材料定义中指定复合材料的堆叠方向。

可以通过指定纤维角度、纤维取向等参数来定义复合材料的堆叠方向。

2. 模拟设置在进行有限元分析时，需要在模拟设置中考虑复合材料的堆叠方向。

可以通过定义材料的各向异性参数、指定材料的弹性模量、屈服强度等参数来考虑堆叠方向对模拟结果的影响。

三维机织正交结构复合材料的参数化设计冯兆行;田伟;马雷雷;刘鹏;祝成炎【摘要】为对三维机织正交结构复合材料的力学模拟分析提供一种模型,通过观察3层机织正交结构复合材料预制件的细观几何结构,分析其最小重复单元中纱线间的几何位置关系,探讨细观结构中几何参数与宏观设计参数的关系.在此基础上,利用Pro/Engineer软件对复合材料预制件进行参数化设计,建立三维机织正交结构预制件的通用几何模型.通过对比三维机织正交结构复合材料的实际结构与模型结构以及纤维体积分数,验证了该模型的合理性.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2010(031)012【总页数】5页(P59-63)【关键词】正交结构;参数;模型;复合材料【作者】冯兆行;田伟;马雷雷;刘鹏;祝成炎【作者单位】浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018【正文语种】中文【中图分类】TB332三维机织复合材料是将纤维预制件作为增强体的复合材料。

它是靠接结经纱在织物的厚度方向将若干层重叠排列的经纬纱接合起来，使之成为整体性能良好的三维结构织物［1］。

随着复合材料的广泛应用，对三维机织复合材料的研究越来越重视。

然而，三维机织复合材料的制作是一个繁琐的过程，大大影响了其研发周期。

利用有限元对复合材料进行模拟实验，可科学地预测实验结果，指导复合材料的深入研究。

三维机织复合材料的细观结构直接影响其宏观性能，因此客观地刻画其细观几何结构成为有限元分析的关键［2］。

在有限元软件中直接建立合理准确地模型比较困难，首先要在CAD软件中建立细观的几何模型，然后将模型与有限元分析相互结合，从而达到优势互补、资源共享的目的［3］。