复合材料51复合材料的相关概念复合材料作为结构应用已有相当.docx

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复合材料51复合材料的相关概念复合材料作为结构应用已有相当

第五章复合材料

5.1复合材料的相关概念

复合材料作为结构应用已有相当长的历史。

在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。

复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度（刚度与重量之比）。

在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。

ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。

利用这些单元就可以作任意的结构分析了（包括非线性如大挠度和应力刚化等问题）。

对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。

5.2建立复合材料模型

与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。

由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。

本节主要探讨如下问题：

选择合适的单元类型；

定义材料层；

确定失效准则；

应遵循的建模和后处理规则。

5.2.1选择合适的单元类型

用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191五种单元。

但ANSYS/Professional只能使用SHELL99和SHELL46单元。

具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。

所有的层单元允许失效准则计算。

1、SHELL99--线性层状结构壳单元

SHELL99是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。

该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。

对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用SOLID46来建立模型。

SHELL99允许有多达250层的等厚材料层，或者125层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。

如果材料层大于250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。

还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。

2、SHELL91--非线性层状结构壳单元

SHELL91与SHELL99有些类似，只是它允许复合材料最多只有100层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。

但是，SHELL91支持塑性、大应变行为

以及一个特殊的“三明治”选项，而SHELL99则不能。

另外SHELL91更适用于大变形的情况。

3、SHELL181—有限应变壳单元

SHELL181是四节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。

该单元支持所有的非线性功能（包括大应变），允许有多达250层材料层。

应该通过截面命令，而不是实常数来定义层的信息，可以通过FC命令来指定失效准则。

4、SOLID46—三维层状结构体单元

SOLID46是八节点三维实体单元SOLID45的一种叠层形式，其每个节点有三个自由度（UX,UY,UZ）。

它可用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元允许有多达250层的等厚材料层，或者125层的厚度在单元面内呈现双线性变化的不等厚材料层。

该单元的另一个优点是可以用叠加几个单元的方式来对多于250层的复合材料建立模型，并允许沿厚度方向的变形斜率连续。

用户也可输入自己的本构矩阵。

SOLID46调整横向的材料特性，以允许在横向上为常应力。

与八节点壳单元相比较，SOLID46的阶次要低些，因此，如在壳结构应用中要得到与SHELL91或SHELL99相同的求解精度，需要更密的网格。

5、SOLID191--层状结构体单元

SOLID191是20节点三维实体单元SOLID95的一种叠层形式，其每个节点有三个自由度（UX,UY,UZ）。

它可用以建立厚的叠层壳或实体的有限元模型，每个单元允许有多达100层的材料层。

与SOLID46类似，SOLID191可以模拟厚度上的不连续。

SOLID46可以调整横向的材料特性，以允许在横向上为常应力。

这个单元不支持非线性材料或大挠度。

6、其他

除上述层单元外，还有其它的一些具有层功能的单元：

◆SOLID95是20节点的结构实体单元，在KEYOPT

（1）=1时，其作用与单层的SOLID191单元类似，包括应用方位角和失效准则，还允许非线性材料和大挠度。

◆SHELL63是四节点壳单元，可用于对“三明治”壳结构作粗糙、近似的计算。

象两块金属片之间夹有一层聚合物的问题就很典型，此时聚合物的弯曲刚度相对于金属片的弯曲刚度来说是一个小量。

用户可以用实常数RMI来修正单元的弯曲刚度，使其等效于由金属片引起的弯曲刚度。

从中面到外层纤维的距离（实常数CTOP和CBOT）可用来获得“三明治”壳的表层输出应力。

这种单元不如SHELL91、SHELL99和SHELL181那样用得频繁，故后面不再论述。

◆SOLID65是三维钢筋混凝土实体单元，可以模拟在三个用户指定方向配筋的各向同性介质。

◆BEAM188和BEAM189为三维有限应变梁单元，其截面可以包含多种材料。

5.2.2定义材料的叠层结构

复合材料最重要的特征就是其叠层结构。

每层材料都有可能由不同的正交各向异性材料构成，并且其主方向也可能各不相同。

对于叠层复合材料，纤维的方向决定了层的主方向。

有两种方法可用来定义材料层的配置：

通过定义各层材料的性质；

通过定义表示宏观力、力矩与宏观应变、曲率之间相互关系的本构矩阵（只适合于SOLID46和SHELL99）。

5.2.2.1定义各层材料的性质

这种方法由下到上一层一层定义材料层的配置。

底层为第一层，后续的层沿单元坐标系的Z轴正方向自底向上叠加。

如果叠层结构是对称的，可以只定义一半的材料层。

有时，某个物理层可能只延伸到模型的一部分。

为了建立连续的层，可以把这些中断的层的厚度设置为零，图5-1显示了一个四层模型，其中第二层在某处中断了。

图5-1有中断层的层叠模型

对于每一层材料，由单元实常数表[R，RMORE，RMODIF]（MaimMenu>Preprocessor>RealConstants）定义如下性质：

材料性质（通过材料参考号MAT来定义）；

层的定向角（THETA）；

层的厚度（TK）。

分层的截面可以通过截面工具来定义（Prep>Sections>Shell-Add/Edit）。

对每一层，通过截面命令或截面工具（SECTYPE,SECDATA）定义下面的属性：

材料性质（通过材料参考号MAT来定义）

层的定向角（THETA）

层的厚度（TK）

每层积分点的数目（NUMPT）

材料性质--与其它单元一样用MP命令（MainMenu>

Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>StructuralImplicit>

Linear>Elastic>Isotropic或Orthotropic）定义线性材料特性，用TB命令定义非线性数据表（塑性仅可以用于SOLID191和SHELL91单元）。

唯一不同是，复合材料单元的材料参考号由其实常数表来指定。

对于层单元，MAT命令（MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Attributes>DefaultAttribs）属性仅用于MP命令的DAMP和REFT参数。

各层的线性材料特性可以是各向同性，也可以是正交异性，见《ANSYSElementsReference》。

典型的纤维加强复合材料包括各向异性材料，且这些特性主要以主泊松比的形式提供（见《ANSYSTheoryReference》§2.1.1）。

材料方向平行于层坐标系（由单元坐标系和层定向角定义）。

层的定向角--它定义层坐标系相对于单元坐标系的角度。

它是这两个坐标系的X轴之间的夹角（单位为“度”）。

缺省情况是层坐标系与单元坐标系平行。

所有单元都有缺省的坐标系，可用ESYS命令（MainMenu>Preprocessor>

Attributes>DefaultAttribs）来改变。

用户还可用自己的子程序来定义单元和层坐标系（USERAN和USANLY，见《ANSYSGuidetoUserProgrammableFeatures》）。

层的厚度--如果层的厚度是常数，用户只需定义节点I处的厚度TK（I），否则四个角节点处的厚度都需输入。

中断的层必须为零厚度。

每层的积分点数目—用于确定计算结果的详细程度。

对于非常薄的层，当其和很多其它层一起使用时，有一个积分点就足够了。

但对于层数很少的片状结构，需要的积分点就应该比较多，缺省为3。

本特性仅适用于通过截面命令定义的截面。

注意--目前，GUI只允许层数（实常数）最大值为100。

如果需要层数大于100，可以使用R和RMORE命令来实现。

5.2.2.2定义本构矩阵

这是定义各层材料性质的另一种方式，适用于SOLID46和SHELL99（通过设置其KEYOPT

（2））。

该矩阵表示了单元的力-力矩与应变-曲率的关系，必须在ANSYS外进行计算，详见《ANSYSTheoryReference》。

它们可以通过KEYOPT

（1）设置为求解输出的一部分。

这种方法的主要优点是：

它允许用户合并聚合复合材料的性质；

支持热载荷向量；

可表示层数无限制的材料。

矩阵的元素作为实常数来定义。

通过定义单元平均密度（实常数AVDENS）还可以将质量影响考虑进去。

但是，使用了这种方法时，由于没有输入每层材料各自的信息，就不能得到每层材料的详细结果。

5.2.2.3夹层（“三明治”）结构和多层结构

夹层结构有两个薄的面板和一个厚但相对软的夹心层。

如图5-2显示了一个夹层结构。

并假定夹心层承受了所有的横向剪切载荷，而面板则承受了所有的（或几乎所有的）弯曲载荷。

图5-2夹层结构

夹层结构可用SHELL63、SHELL91或SHELL181单元来建立有限元模型。

SHELL63只能有一层，但可通过实常数选项来模拟，即通过修改有效弯曲惯性矩和中面到外层纤维的距离来考虑对夹心层的影响。

SHELL91可用于夹层结构并且允许面板和夹心层有不同的性质，该单元的KEYOPT（9）=1即可激活“夹层”选项，只有SHELL91有此夹层选项。

SHELL181通过能量等效方法模拟横向剪切偏转。

5.2.2.4节点偏置

SHELL181通过截面命令定义截面，可以在定义截面时通过SECOFFSET命令偏置节点。

使用SHELL91和SHELL99单元的节点偏置选项（KEYOPT（11））可将单元的节点设置在壳的底面、中面或顶面上。

图5-3告诉您如何方便的建立台阶状的叠层板模型。

图5-3表示节点在板的底面（KEYOPT（11）=1），各板在这点对齐。

图5-4表示节点在板的中面（KEYOPT（11）=0），各板在这点对齐。

图5-3SHELL91和SHELL99节点在底面的分层壳单元

图5-4SHELL91和SHELL99节点在中面的分层壳单元

5.2.3定义失效准则

失效准则用于获知在所加载荷下，各层是否失效。

用户可从三种预定义好了的失效准则中选择失效准则，或者自定义多达六种的失效准则。

三种预定义失效准则是：

最大应变失效准则，它允许有九个失效应变；

最大应力失效准则，它允许有九个失效应力；

Tsai-Wu失效准则，它允许有九个失效应力和三个附加的耦合系数。

有两种方式可用以计算这种准则，详见《ANSYSTheoryReference》式（14.99-35）和式（14.99-36）。

失效应变、应力和耦合系数可以是与温度相关的。

《ANSYSElementsReference》中有每种准则所需数据的详细介绍。

通过TB命令族或FC命令族指定失效准则。

TB命令族包括TB、TBTEMP和TBDATA命令（MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>

Nonlinear>Inelastic>Non-MetalPlasticity>FailureCriteria）。

其典型的命令流如下：

TB,FAIL,1,2!

Datatableforfailurecriterion,material1,!

no.oftemperatures=2

TBTEMP,,CRIT!

Failurecriterionkey

TBDATA,2,1!

MaximumStressFailureCriterion（Const.2=1）TBTEMP,100!

Temperatureforsubsequentfailureproperties

TBDATA,10,1500,,40,,10000!

X,Y,andZfailuretensilestresses（Zvalue

!

settoalargenumber）

TBDATA,16,200,10000,10000!

XY,YZ,andXZfailureshearstressesTBLIST

TBTEMP,200!

Secondtemperature

TBDATA,...

有关TB,TBTEMP,TBDATA和TBLIST命令见《ANSYSCommandsReference》。

FC命令族包括FC、FCDELE和FCLIST命令（MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>

Nonlinear>Inelastic>Non-MetalPlasticity>FailureCriteria和MainMenu>GeneralPostprocessor>

FailureCriteria），其典型的命令流如下：

FC,1,TEMP,,100,200!

Temperatures

FC,1,S,XTEN,1500,1200!

Maximumstresscomponents

FC,1,S,YTEN,400,500

FC,1,S,ZTEN,10000,8000

FC,1,S,XY,200,200

FC,1,S,YZ,10000,8000

FC,1,S,XZ,10000,8000

FCLIST,,100!

ListstatusofFailureCriteriaat100.0degreesFCLIST,,150!

ListstatusofFailureCriteriaat150.0degreesFCLIST,,200!

ListstatusofFailureCriteriaat200.0degreesPRNSOL,S,FAIL!

UseFailureCriteria

注意—TB命令（TB，TBTEMP和TBDATA）仅适用于SHELL91、SHELL99、SOLID46或SOLID191，而FC和FCLIST命令适用于所有的二维或三维结构实体单元和三维壳单元。

定义失效准则的一些注意事项：

失效准则是正交各向异性的，因此用户必须输入所有方向上的失效应力或失效应变值（在压缩值等于拉伸值时例外）；

如果不希望在某个特定的方向上检查失效应力或失效应变，则在那个方向上定义一个大值（如前面命令流中那样）。

用户可通过用户子程序USRFC1到USRFC6自定义失效准则。

这些子程序应事先与ANSYS程序作联接。

见《ANSYSAdvancedAnalysisTechniquesGuide》中有关用户编程功能的说明。

5.2.4应遵循的建模和后处理规则

在复合材料单元的建模和后处理中，一些附加规则如下:

1、复合材料会体现出几种类型的耦合效应，诸如弯扭耦合、拉弯耦合等。

这是由具有不同性质的多层材料互相重叠引起的。

其结果是，如果材料层的积叠顺序是非对称的，则即使模型的几何形状和载荷都是对称的，也不能按照对称条件只求解一部分模型，因为结构的位移和应力可能不对称。

2、在模型自由边界上的层间剪切应力通常都是很重要的。

要求得在这些部位相对精确的层间剪切应力，则模型边界上的单元尺寸应约等于总的叠层厚度。

对于壳来说，增加实际材料层数并不一定提高层间剪切应力的求解精度。

但是，如果用SOLID46、SOLID95、SOLID191单元，则沿厚度方向上的叠加单元会使得沿厚度方向上层间应力的求解更为精确。

壳单元的层间横向剪应力的计算基于单元上下表面不承受应力的假设。

这些层间剪应力只在单元的中心处计算，而不是沿着单元边界。

建议使用壳-实体子模型精确计算自由边的层间应力。

3、因为复合材料的求解需要大量的输入数据，故在进行求解之前应对这些数据作检验，可用如下命令来完成这些工作：

ELIST命令（UtilityMenu>List>Elements）：

列表显示所有被选单元的节点和属性。

EPLOT命令（UtilityMenu>Plot>Elements）：

图形显示所有被选单元。

在该命令之前使用[/ESHAPE,1]命令（UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SizeandShape）将使壳单元以实体单元的形式显示，显示出的厚度为从实常数中得到的厚度（图5-5）。

它也使SOLID46单元以层的形式显示出来。

图5-5/ESHAPE打开时SHELL99单元显示

/PSYMB,LAYR,n命令（UtilityMenu>PlotCrls>Symbols）：

在执行EPLOT命令之前执行该命令，可图形显示所选全部单元的第n层。

它可用以显示并检验整个模型的每一层。

/PSYMB,ESYS,1命令：

在EPLOT命令之前执行该命令，可显示出那些缺省单元坐标系被改变了的单元坐标系。

LAYLIST命令（UtilityMenu>List>Elements>LayeredElements）：

可根据实常数列表显示层的叠加顺序和SHELL99、SHELL91、SOLID46、SOLID191单元的任意两种材料的性能。

还可以指定要显示层的范围。

LISTLAYERS1TO4INREALSET1FORELEMENTTYPE1

TOTALLAYERS=4LSYM=1LP1=0LP2=0EFS=.000E+00NO.ANGLETHICKNESSMAT

145.00.2501

2-45.00.2502

3-45.00.2502

445.00.2501

SUMOFTHK1.00

LAYPLOT命令（UtilityMenu>Plot>LayeredElements）：

以卡片的形式图形显示层的积叠顺序（图5-6）。

为清楚起见，各层以不同的颜色和截面线显示，

截面线的方向表示了层的方向角（实常数THETA），颜色表示了层的材料号（实常数MAT）。

还可以指定要显示层的范围。

图5-6LAYPLOT显示的[45/-45/--45/45]顺序

SECPLOT命令（Prep...>Sections>Shell-PlotSections）：

以卡片的形式图形显示截面的积叠顺序（图5-6）。

为清楚起见，各截面以不同的颜色和截面线显示，截面线的方向表示了层的方向角（THETA），颜色表示了层的材料号（MAT）。

还可以指定要显示层的范围。

4、缺省情况下，只有第一层（底层）的底面、最后一层（顶层）的顶面以及最大失效值所在层的结果数据被写入结果文件，如果用户对所有层的结果数据都感兴趣，则应设置KEYOPT（8）=1，但这样可能导致结果文件很大。

5、通过[ESEL,S,LAYER]命令选择特定层号的单元。

如果某单元指定层为零厚度，则不被选中。

6、在后处理POST1中使用LAYER命令（MainMenu>GeneralPostproc>OptionsforOutp），或在POST26中使用LAYERP26命令（MainMenu>TimellistPostpro>DefineVariables），来指定要处理哪一层的结果。

用SHELL命令（MainMenu>TimellistPostpro>DefineVariables）来定义到底是使用该层的顶面、中面或底面的结果。

在POST1中缺省存贮的是底层底面的结果、顶层顶面的结果和最大失效准则值所在层的结果。

在POST26中缺省存贮的是第一层的结果。

如果单元KEYOPT（8）=1（即保存所有层的结果），则LAYER和LAYERP26命令将存贮指定层的顶面（TOP）和底面（BOT）的结果，而中面（MID）的结果则由其顶面和底面的结果取平均值得到。

对于横向剪切应力，POST1中只能以线性变化的形式显示，而在单元解打印输出数据中的形式则可以是二次变化的。

7、缺省时，POST1将在总体笛卡尔坐标系中显示所有结果。

使用RSYS命令（MainMenu>GeneralPostproc>OptionsforOutp）可将结果转换到别的坐标系中。

对于层单元，如果执行了LAYER命令，且命令中指定的层号非零，则

[RSYS,SOLU]命令可使结果在层坐标系中显示。

5.3复合材料分析实例（GUI方法）

5.3.1问题描述

如图5-7所示，有一长3米的工字梁，高度为0.3m，上下翼缘的宽度为0.2m。

材料为T300/5208，是20层对称分布叠层板，每层的厚度为0.001m，各层的方向角分别为0、45、90、-45、0、0、45、90、-45和0度，材料特性为：

Ex=181Gpa，Ey=Ez=10.3Gpa，Gxy=7.17Gpa，Gyz=3.78Gpa，υ12=0.016。

沿轴强度：

σx+=1500Mpa，σx-=1500Mpa，σy+=40Mpa，σy-=246Mpa，σx+=40Mpa，σx-=246Mpa，τ

10000N和100N。

计算工作应力和应变、失效应力和失效层等。

xy=68Mpa（+表示受拉，-表示受压）。

工字梁一端固定，另一端受集中力分别为：

100N、

图5-7叠层板工字梁结构和载荷示意图

5.3.2GUI方式

（一）定义单元类型、实常数和材料特性

1.选取菜单元途径Main>Preprocessor>Elementtype>Add/edit/delete,弹出ElementTypes窗口。

2.单击Add，弹出LibraryofElementTypes窗口，左边选择窗口选择StructuralShell，右边选择窗口选择中选择LinearLayer99,单击OK。

3.单击ElementTypes窗口中Options,弹出SHELL99ElementTypeOptions窗口，将K8设置为ALLLayer，单击OK。

单击ElementTypes窗口中Close。

4.选取菜单途径Mainmenu>Preprocessor>ElementType>Real

Constants，弹出RealConstants窗口。

单击OK，弹出ElementtypeforRealConstants窗口。

单击OK，弹出RealConstantsSetNumber1,forSHELL99窗口，依次输入NL=20、LSYM=1、LP1=1和