Ansys复合材料结构分析操作指导书副本.docx

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Ansys复合材料结构分析操作指导书副本

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7Ansys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

PRXZ

12.5

300

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

、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：

【UtilityMenu】|【File】|【ChangeDirectory】见图14

指定新的文件名GUI：

【UtilityMenu】|【File】|【ChangeJobname】见图15所示

图14指定文件保存路径

图15修改文件名

、选取单元类型

1）选取单元类型的GUI操作：

【MainMenu】|【Preprocessor】|【ElementType】|【Add/Edit/Delete】，执行后弹出ElementTypes对话框。

2）在ElementTypes对话框点击Add定义新的单元类型，弹出“LibraryofElementTypes”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。

图16单元类型对话框

3）点击“OK”，回到“ElementTypes”对话框见图17所示，从图中可以看到，定义的单元类型参考号为1，单元类型对应为SOLID46。

图17已经定义好的单元类型

4）接下来，还要对单元类型做一些选项设置，点击“Options”，弹出“SOLID46elementtypeoptions”对话框，在“Formofinput”下拉选择列表中有三个选项，分别是各材料层厚度相同、变厚度材料层、自定义宏观材料本构矩阵，选择不同的选项，会导致后面需要输入的材料参数不同。

由于本例各层厚度相同，选择“Constthklayer”项，点击“OK”，弹出“MoreSOLID46elementtypeoptions”，在K8选项中选择“Alllayers”，然后单击OK，随后单击ElementTypes对话框上的Close，关闭该对话框，完成单元类型选择，见图18。

图18单元类型关键字设置

、设置单元实常数

单元实常数设置GUI路径为【MainMenu】|【Preprocessor】|【RealConstants】|【Add/Edit/Delete】，执行后出现RealConstants对话框，单击Add按钮，出现ElementTypeforRealConstants对话框，单击OK，出现RealConstantSetNumber1,forSOLID46，如图19左图所示。

在NL框中输入4，表示一共有4层，在LSYM框中输入1，表示对称铺层。

图19单元实常数设置

按图19设置完后点击OK，出现RealConstantSetNumber1,forSOLID46对话框，见图19右图所示，按图中所示进行设置，点击OK关闭对话框。

最后单击RealConstants对话框上的Close按钮完成实常数设置。

步骤二：

定义材料属性

与各项同性材料一样，复合材料在定义材料性质时，需要定义弹性模量、剪切模量和泊松比，所不同的是复合材料需要定义各个方向上的材料性质。

定义材料属性的GUI路径为：

【MainMenu】|【Preprocessor】|【MaterialProps】|【MaterialModels】

执行完后弹出DefineMaterialModelBehavior对话框，见图20所示，按图中所示选择材料。

图20材料属性列表框

选择完后弹出LinearOrthotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框。

见图21所示。

按图示输入材料属性值。

在这里做一点说明，ANSYS软件允许用户使用任何一套相匹配的单位体系，比如：

长度、力、时间、温度分别采用m、N、s、℃作为单位，或采用英制单位体系。

单击OK关闭对话框，在DefineMaterialModelBehavior对话框上选择【Material】|【Exit】，结束材料属性定义。

图21材料属性设置对话框

步骤三：

创建几何模型、划分网格

、建立几何模型

在这个例题中，选择的单元类型是SOLID46，需要建立实体模型，建模的GUI操作：

点击OK，结果如图23所示。

图22创建几何模型对话框

图23创建的几何模型

、划分网格

由第三章中的介绍知道，在划分网格前还需要对网格密度进行设置。

这里采用手动的方法进行设置。

手动设置时需要先选中欲控制网格密度的边线，指定其上的节点分布。

在长宽方向的边线上放置40个节点，在厚度方向上放置4个节点，具体操作如下：

1）长宽方向上放置节点

执行【UtilityMenu】|【Select】|【Entities】命令，出现SelectEntities对话框，见图24a、b所示，按图所示进行设置，图24a中点击Apply按钮，图24b中点击OK。

（a）（b）

图24选择Z坐标为0及0.1的所有边线

在NDIV输入框中输入40，对选中的边线等分为40份。

图25手动控制节点分布

2）厚度方向放置节点

执行【UtilityMenu】|【Select】|【Entities】命令，出现SelectEntities对话框，见图26所示，按图所示进行设置，点击Invert按钮，然后点击Cancel完成对剩余边线的选择。

图26选择剩余边线

在NDIV输入框中输入4，对选中的边线等分为4份。

3）划分网格

图26网格划分设置

设置完后点击Mesh，在绘图区用鼠标单击模型，划分的网格效果见图27所示。

图27网格划分效果展示

步骤四：

设定边界条件、加载

、设置分析类型

执行【MainMenu】|【Solution】|【AnalysisType】|【NewAnalysis】，出现NewAnalysis对话框，选择分析类型为Static，单击OK结束分析类型设置。

、设置边界约束和加载

由于边界条件和载荷需要加载到单元节点上，因而需要先选中目标节点。

在本例中，由于实体模型比较简单，给大家介绍一种快速选择边界，然后施加边界约束和表面压力的方法。

执行后鼠标变成竖直向上的一个箭头，在图形显示框中用鼠标单击选择坐标为（1,1）、（1，-1）、（-1,1）、（-1，-1）的四条边线，单击OK，弹出边界约束设置对话框，见图29所示，按图所示进行设置，点击OK，壳体四个角点的约束效果见图30所示。

图28约束施加边界选择对话框

图29边界约束设置对话框

图30角点四条边线的约束效果

下面对表面施加压力荷载，需要先选择节点，然后再施加载荷，执行【UtilityMenu】|【Select】|【Entities】，弹出图31所示的SelectEntities对话框，按图中所示进行设置，设置完后点击OK，就选择了所有z坐标为0.1的节点。

施加压力后的效果见图33所示，红色的方格线表示施加的是表面载荷。

注意图中右上角的文字提示，显示施加的表面载荷是6000。

图31选择需要施加压力的节点

图32施加表面压力对话框

图33表面压力施加效果图

步骤五：

求解

这一步比较简单，首先执行【UtilityMenu】|【Select】|【Everything】命令，选择所有的实体，注意，这一步操作不可以省略，否则将有部分单元和实体不参与计算；然后执行【MainMenu】|【Solution】|【SolveCurrentLS】，出现SolveCurrentLoadStep对话框，点击OK按钮，ANSYS开始求解计算。

计算结束后会出现Note提示框，见图34所示，单击Close关闭该对话框。

图34求解结束提示框

步骤六：

查看计算结果

在查看计算结果之前，需要先读入结果，执行【MainMenu】|【GeneralPostpro】|【ReadResults】|【LastSet】，读取最终的求解结果；

、位移查看：

图35合位移等值线云图

、应力查看：

图36等效应力等值线云图

图37列表显示节点位移信息

此外，用户还能够查看指定节点的数据，操作方法是先选中这些节点（可以在图形显示窗口中用鼠标选择，也可以用坐标的方法选择），然后采用上面提到的方法列表显示节点数据即可。

附录A：

Ansys中如何使用IGES格式文件

IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）是不同CAD/CAE软件系统之间数据交换的一种规范，Ansys也支持读入和输出这一类型的数据文件。

Ansys读入该文件类型有两种模式（见附图1红线框内）：

（1）光滑模式（SMOOTH），对应选项”NoDefeaturing”，这种模式不会对原模型做任何修改，而且Ansys不会创建体积（只创建点、线、面元素），导入的模型一般需要手动进行修复，需要用到的几何修复工具位于前处理器（Preprocessor）模块中。

（2）小平面模式（FACETED），对应选项“DefeatureModel”，在这种模式下Ansys会自动执行点、线、面的合并操作，并且自动创建用于网格划分的体积，该模式主要用于对模型进行简化。

如果在导入模型过程中出现问题，Ansys会弹出相应的几何修改工具。

注：

对于大尺寸或复杂的模型，不推荐采用FACETED模式。

附图1Ansys导入IGES文件选项设置

下面将详细讲解两种模式使用过程需要注意的问题。

1SMOOTH模式

GUI路径：

【UtilityMenu】|【File】|【Import】|【IGES】，选择“Nodefeaturing”。

建议导入IGES格式数据时首先尝试采用SMOOTH模式，如果利用几何修复工具仍无法修复导入模型上的缺陷，再考虑采用FACETED模式。

1.1CAD软件建模注意事项

✧如果生成的模型是轴对称的，注意对称轴选择Y轴。

✧避免创建闭合曲线（即曲线的起点和终点重合）和闭合曲面（比如曲面起始和终止边重合）。

因为Ansys中曲线应该至少包含两个关键点，所以无法存储闭合曲线和闭合曲面，如果导入的模型中包含闭合曲线或闭合曲面，Ansys将尝试将其分割成多个几何特征。

✧由于IGES发展到现在已经有多个版本，从CAD软件输出IGES文件时，尽量选择ANSYS软件能支持的IGES版本。

1.2CAD软件输出IGES文件注意事项

✧输出时只选择Ansys分析需要用到的那一部分模型，Ansys有限元分析不需要像CAD软件那样关注每一个细节。

✧对于通过修剪操作生成的曲面，在将其转换为IGES数据格式时，数据中应该包含XYZ坐标数据和UV坐标数据。

✧如果要分析的模型非常大，应该将模型分成多块分别输出，每个IGES数据文件只包含模型的一部分。

在Ansys中将多个文件读入后采用前处理器中的合并操作进行重新组合。

（合并操作GUI路径：

【MainMenu】|【Preprocessor】|【NumberingCtrls】|【MergeItems】）。

✧如果IGES文件的数据是以ASCII码存储的，确保文件中每行都是80个记录。

1.3Ansys导入IGES文件注意事项

✧注意导入文件时ANSYS程序的各种提示信息。

警告信息包括诸如IGES转换失败的部件以及转换成功的部件在ANSYS中对应的部件号。

✧如果存在IGES部件没有转换，可以采用模型修补命令进行重构。

SMOOTH模式能够读入任何不超过20阶的有理B样条曲线和有理B样条曲面，如果阶数超过20阶ANSYS将提示出错信息。

1.4ANSYS导出IGES文件注意事项

✧输出IGES数据前需要先设定系统单位，单位的设置只能通过命令的形式设置：

/UNITS，比如要设定国际单位体系，只要在命令输入框中输入“/UNITS,SI”,回车确认即可。

✧输出数据前，需要选择几何实体的所有下属元素，GUI操作：

【UtilityMenu】|【Select】|【EverythingBelow】。

✧如果想输出模型的部分元素，则只需要选中那些需要输出的模型及其下属元素（包括关键点和边线），然后去掉选中的更高级别的特征元素即可。

2FACETED模式

2.1FACETED模式使用的9个步骤

、采用SMOOTH模式导入IGES文件。

、通过创建基本几何元素（比如创建关键点，线等）对导入的几何体进行改善和修复，适当时候结合布尔操作进行修改，记住，不要急着划分网格。

、将导入的模型和创建的模型保存到数据库文件，这一步只要点击保存图标即可完成。

、将模型保存到IGES格式的文件。

、在命令输入框中输入“/CLEAR”命令，清空当前软件中的数据（也可以退出然后重启软件）。

、执行【UtilityMenu】|【File】|【Import】|【IGES】，选择“DefeatureModel”。

、选择第4步保存的模型文件，将其以FACETED模式导入。

、在FACETED模式下，对模型进行简化处理，去掉可能导致划分网格失败的几何特征。

、对模型进行网格划分，如果在划分网格中碰到问题，则需要对模型做进一步的简化处理。

注意：

不是所有的几何问题都可以在FACETED模式中得到解决，必要的时候需要在创建模型的CAD软件中做相应的修改。

2.2FACETED模式简化模型

2.2.1目测检查模型的几何缺陷

模型的几何缺陷（参见附图2）主要包括：

很短的线条（Smallline）、不相关的几何特征、面积很小的面域（Smallarea）、在一个方向上尺寸很不协调的面域（Thinarea）（比如狭长条表面）等，这些几何缺陷很容易导致网格划分不理想甚至失败（见附图2）。

需要借助几何简化工具消除这些缺陷。

附图2存在几何缺陷的模型及其网格划分结果

从附图2的网格划分来看，单元间网格尺寸急剧变化，这在有限元分析中是不被允许的，需要对模型进行修改，重新划分网格。

2.2.2查找定位几何缺陷

✧查找定位短曲线：

GUI操作：

✧查找定位小环线

GUI操作：

✧查找定位小面域

GUI操作：

在找到这些几何缺陷后可以采用修补工具进行修改。

2.2.3短曲线的修补

对于短曲线的修补有两种方法可用，一种是合并操作（mergelines），将短曲线与长曲线进行合并，合并后得到一条曲线（注意，合并节点处不能有第三条曲线与之相接，因为合并后节点将不复存在）；另一种是降阶操作（collapselines），将曲线收缩到该曲线两个端点中的一个，这会对原有模型有所改变。

附图3短曲线的修补

2.2.4小曲面的修补

与短曲线的修补类似，小曲面的修补也有两种方法，一种是合并曲面（mergeareas），将小曲面与邻近的大曲面进行合并，在合并的过程中需要注意保持曲面的规则性（比如小曲面合并前为四变形，合并后的曲面仍然是四变形），这样可以避免曲面参数化失败（见附图4）。

附图4正确的曲面合并（上图）于不错误的曲面合并（下图）

另外一种方法是曲面降阶（collapseareas），即将曲面向其边界收缩。

操作时，先选择要降阶的曲面，然后选择曲面要简化的目标边线。

一般需要先进行曲线简化操作，然后再做曲面简化，简化的边线一般选择曲面较长的一条边作为目标边线，简化实例见附图5所示。

附图5曲面降阶实例

2.2.5空腔和凸台的简化

模型上的空腔（包括凹槽和通孔）和凸台特征都可能影响网格划分效果甚至使得网格划分失败，因而有必要对其进行简化处理。

在清除这些特征时，需要选中组成特征的所有曲面，选择曲面的顺序很关键，选择过程中应该先选择特征的组成面，最后选择空腔或凸台的附着面，如果顺序不对的话会扭曲模型的几何形状，这是我们不愿看到的。

清除空腔和凸台的GUI操作如下：

清除空腔：

清除凸台：

附图6清除凸台

2.3FACETED模式下模型的修复

上面讲的都是有关如何简化模型的方法，实际导入IGES模型还会碰到模型的拓扑结构问题（比如模型上有缝隙gaps）或者模型不完整（比如曲面边线不封闭）等。

这些拓扑结构缺陷或几何不完整都需要在FACETED模式下进行修复。

2.3.1修补模型上的缝隙

缝隙的修补归属拓扑结构修补，拓扑结构修补工具位于【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【TopoRepair】下，利用这些工具可以“缝合”模型上的小缝隙。

在生成封闭体积前必须将边线和曲线段缝合到邻近的曲面上。

当拓扑修复工具打开时，其他任何几何工具都处于不可选用状态。

模型上存在的很多问题都可以通过拓扑修复工具进行修复。

2.3.1.1缝隙绘图显示和列表显示的相关设置

要对于模型上存在的缝隙进行修复，需要首先找到这些缝隙，为便于观察缝隙的位置，需要对缝隙进行突出显示。

显示设置GUI路径：

【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【TopoRepair】|【Preferences】，见附图7所示。

附图7拓扑结构修复设置

有两项设置项：

●误差限设置（TOLER）：

设置在多大间距下认为存在间隙，当两者间距超过该设定值时，认为存在缝隙。

●边线列表和绘图显示设置（OESELE）：

设置缝隙以何种方式显示。

2.3.1.2查找并显示缝隙

对于模型上的缝隙，可以通过列表显示和在绘图窗口显示两种方式显示。

●列表显示功能

该项功能的GUI设置为：

如果想要列表显示所有

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