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1、复合材料SHELL181单元完全攻略复合材料SHELL181单元完全攻略 发表时间：2009-8-31 作者: 徐鹤山 译 蒋福庆 校 来源: e-works 关键字: 复合材料SHELL181ANSYS ANSYS程序中的SHELL181单元是用于复合材料层合板结构分析比较好的单元之一。原文在ANSYS程序的在线帮助中，这篇文章是它的译文，是我们从专业角度对原文的翻译。目的在于帮助那些英语水平不高，而且从事复合材料结构计算分析的技术人员能够方便地使用这个单元。前言ANSYS程序中的SHELL181单元是用于复合材料层合板结构分析比较好的单元之一。原文在ANSYS程序的在线帮助中，这篇文章是它

2、的译文，是我们从专业角度对原文的翻译。目的在于帮助那些英语水平不高，而且从事复合材料结构计算分析的技术人员能够方便地使用这个单元。复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成的，其主要优点是具有优异的材料性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点。复合材料可用于飞机机翼、尾翼，发动机机匣、叶片等结构设计，也是用于压力容器、风力发电叶片等民用结构的先进材料。目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。风力发电是目前世界上能源领域发展最快的技术之一，据知大

3、约每年以2530%的速度递增。当前风力发电是我国新兴的能源项目，国内有关公司和企业纷纷引进国外产品和技术，产能过剩，竞争相当激烈，但最后谁能在该行业中站住脚，还取决于有没有自己的自主知识产权的产品。有限元技术是分析风力发电复合材料叶片的先进手段，有助于设计先进的叶片结构。ANSYS程序中复合材料单元比较全，其中SHELL181单元是比较好的单元之一。1. 181壳单元描述181壳单元适于分析薄至中等厚度的壳形结构。它是每个节点具有6个自由度的4节点单元。6个自由度指X、Y、Z三个轴方向的位移和绕X、Y、Z三个轴的转角（如选用膜片，则该单元只有位移自由度）。退化的三角形单元，只用于网格生成的填充

4、单元。181壳单元非常适用于线性、大转角和/或大应变非线性的应用。计算变厚度壳单元应用非线性分析。在单元范围内支持完全和减缩的积分方法。181壳单元计及压力分布引起的（载荷刚度）影响。181壳单元适用于模拟分层的复合壳或夹层结构。模拟壳的精度取决于第一剪切变形理论（通常称为Mindling-Reisser壳理论）。对于用43壳单元存在收敛困难问题，可用181壳单元取代43壳单元。关于这个单元的更详细的内容见ANSYS，Inc.理论参考。图181.1181壳单元几何形状xo =Element x-axis if ESYS is not supplied.为单元坐标系的X轴不提供x= Elemen

5、t x-axis if ESYS is supplied.为单元坐标系的X轴提供2. 181壳单元数据输入这个单元的几何形状、节点位置和坐标系示于图181.1：“181壳单元几何形状”。此单元由4点I、J、K和L定义。单元方程式基于对数应变和真实应力方法。单元动力学考虑到有限膜应变（拉伸）。然而，在一个时间增量步内的曲率变化假设很小。你可以用常数或截面定义它的厚度或其他数据。仅对单层壳选用实常数。如果一个181壳单元既有实常数设置，又有一个正确有效的截面类型，则实常数将被忽略。181壳单元也采用预积分壳截面类型（SECTYPE，GENS）。当此单元使用GENS截面形式，不需要定义厚度或材料。更

6、详细内容见“Using Preintgrated General Shell Sectins”。用实常数定义厚度壳单元的厚度可以在单元各节点定义。假设整个单元厚度平缓变化。如果单元厚度不变，只输入TK（1）。如果厚度变化，则必须输入4个节点的厚度。层截面定义另一种选择，可以用截面命令定义壳单元厚度和更一般的特性。181壳单元可与壳截面联合（见SECTYPE命令说明）。与选择实常数相比，壳截面是定义壳结构的更通用的方法。壳截面命令可用于定义分层复合材料壳的定义，而且提供了输入确定的厚度、材料、方位和通过层厚度的积分点的操作。注意单层壳不排除用壳截面定义，而且提供更灵活的操作，如使用ANSYS函数

7、编码器定义作为整体坐标和采用积分点的函数的厚度。当采用截面输入时，你可指定经由每层厚度的积分点数（1，3，5，7或9）。仅当积分点数为1时，积分点总是位于顶面和低面之间。如果积分点数为3或更多时，其中两个积分点分别位于顶面和底面，其余积分点在上述两点之间等距分布。当指定积分点数为5时例外，那里四等份的积分点位置向最近的层面移动5%，使与选用实常数输入选定的位置一致。每层积分点数的默认值为3。注意，当采用实常数时，ANSYS采用5个积分点。然而当使用截面定义等效层时，积分点默认值是3。为了对解法进行比较，用SECDATA命令设置截面积分点数为5。此单元的默认方位为S1（壳单元面坐标）轴，它与单元

8、中心的单元第一参数方向一致，它连接侧面中线LI和JK。在最通过的情况下，该轴可确定为：对于不扭曲单元，默认方位与在Coordinate System中描述的一致（第一表面方向与IJ边一致）。对于空间翘曲或其他扭曲单元，默认方位代表更好的应力状态，因为在单元定义域内，在默认情况下，单元采用单点求积分。第一方位S1可以THETA角（度）旋转，作为单元的实常数或者使用SECDATA的命令。对于一个单元，你可以在单元的平面内确定方位的单一值。当使用截面定义时，可以使用层向方位。你也能用ESYS确定单元方位。见Coordinate System。该单元支持退化的三角形形式，然而，除用作网格填充单元或选用

9、薄膜（KEYOPT1=1）外，不推荐使用三角形形式。当使用具有大变形而选用薄膜时，三角形单元具有更多的优势。181壳单元用补偿的方法建立独立转动自由度与（对壳表面）平面位移分量之间的联系。ANSYS程序以默认值选用一个适当的补偿刚度。然而如果必要，可以通过改变默认值采用第十个实常数（训练刚度因子；见表181.1“SHELL 181 Real Constants”）。这个实常数值是对默认补偿刚度的比例参数。采用较高值可能在模型中引起较大的非物理能的成分。因此改变默认值要慎重。当采用截面定义181单壳元，训练刚度因子可以用SECCONTROLS命令确定。单元载荷在Node and Element

10、Loads中说明。压力可作为单元表面上的面载荷输入，如图181.1；“181壳单元几何形状”中带圆圈的数字所表示的各表面。在单元外表面各角和各层（11024最大）之间的相交面各角，温度作为体载荷输入。第一个温度T1默认为TUNIF。如果其它角的温度都不作规定，它们默认为T1。如果KEYOPT（1）=0并被假设精确地输入NL+1温度，每层底面的四角采用一个温度，而最后的温度用于顶层上表面的四角。假如KEYOPT（1）=1并假设精确地输入NL个温度值，每层的四角采用一个温度。这就是：T1用于T1，T2，T3，和T4；T2（当输入时）用于T5，T6，T7，和T8等。对于其它输入形式，未规定的温度默认

11、值为TUNIF。采用KEYOPT（3），181壳单元支持一致减缩积分和不相容模型的全积分。通过默认值，这个单元为了效率，在非线性应用中采用一致减缩积分。带有计时控制的减缩积分的使用，产生一些限制（虽然很小）。例如，为了获得悬壁梁或刚性构件的平面弯曲（见图181.2“181壳单元典型弯曲应用”），需要若干厚度方向的单元。采用一致减缩积分所获得的效率足以补偿采用更多单元的需要。在比较好地改善网格方面，大都与计时的效果无关。当选用减缩积分时，你可通过对总能（在ETABLE中的SENE标识）和计时控制引起的人工能（在ETABLE中的AENE标识）进行对比，检查解的精度。如果人工能与总能之比小于5%，一

12、般说来这个解是可接受的。总能和人工能也可通过使用在解相位中的OUTPR，VENG进行控制。双线性单元，在全积分时，平面弯曲过硬。181壳单元在弯曲为主的问题中，使用不相容模型的方法提高精度。这个方法也叫“额外状态”或“发泡”型方法。181壳元采用确保补片试验令人满意的方程式（J.C.Simo 和F.Amero,“Geometrically nonlinear enhancedstrain mixeds and themethod of incompatible method”IJNME,VOL,33,PP.1413-1449,1992）。当分析中包括不相容模型时，你必采用全积分。KEYOPT（

13、3）=2意味着包括不相容模型和采用（22）全积分。181壳单元采用KEYOPT（3）=2说明没有任何假设的能机理。这种181壳元的特定形式即使带有粗糙的网格也是高度精确的。假如你在选用默认值时遇到任何计时有关的困难，我们向你推荐采用KEYOPT（3）=2。假如网格粗糙和单元平面弯曲支配响应，KEYOPT（3）=2也是必要的。在所有的分层的应用中我们推荐这种选择。KEYOPT（3）=2具有最小的使用限制。你始终可以选择这种方案。然而对你的问题可以选择最好的方案，提高单元的效率。对图181.2“181壳元典型弯曲应用”中说明的问题进行研究。图181.2181壳元典型弯曲应用KEYOPT（3）=2对

14、平面弯曲只要求用一个贯穿整个厚度的单元KEYOPT（3）=0对平面弯曲可能至少要用四个贯穿整个厚度的单元对加强板（平面）模型采用KEYOPT（3）=2悬壁梁和用壳模拟横截面的梁是平面弯曲为主的典型例子。在这种情况下，采用KEYOPT（3）=2是最有效的选择。减缩积分将要求改善网格。例如悬壁梁问题采用减缩积分要求四个贯穿整个厚度的单元，而带不相容模型的全积分只要一个贯穿整个厚度方向的单元。对于加强壳，最有效的选择是：对壳采用KEYOPT（3）=0，对加强板采用KEYOPT（3）=2。当规定KEYOPT（3）=0，181壳单元对膜和弯曲模型用一个计时控制方法。默认值，181壳单元对金属和超弹性应用

15、都用计时参数进行计算。你可以用实常数11和12取代默认值（见表181.1：“181壳元实常数”）。取代改变计时的刚度参数，你应该增加网格密度或者选择全积分（KEYOPT（3）=2）。当采用截面定义，你可以用SECCONTROLS命令规定计时刚度比例因子。181壳单元包括横截面剪切变形的影响。采用Bathe-Drorkin的假设剪切应变公式缓解剪切自锁效应。单元的横截面剪切刚度是下面所示的一个22的矩阵。在上述矩阵中，R7，R8和R9是实常数7，8和9（见表181.1：“181壳单元实常数”）你可以用指定不同的实常数取代横截面剪切刚度的默认值。这个选择对分析分层壳是有效的。另一种办法是：用SEC

16、CONTROLS命令定义横截面剪切刚度值。对于各向同性的单层壳，默认的横截面剪切刚度是：在上述矩阵中，K=5.6，G=剪切膜量，h=壳的厚度。181壳单元可以与线弹性、弹塑性、蠕变或高弹性材料特性联系。只有各向同性、各向异性和正交各向异性的线弹性特性可以作为弹性输入。von Mises各向同性硬化塑性模型可以同BISO（双线性各向同性硬化），MISO（多线性各向同性硬化）和NLISO（非线性各向同性硬化）方案一起引用。动态硬化塑性模型同BKIN（双线性动态硬化），MKIN（多线性动态硬化），和CHABOCHE（非线性动态硬化）方案一起引用。引用塑性假设弹性性质是各向同性（那就是，假设正交各向异性的弹性和塑性一起使用，ANSYS假设各向同性弹性膜量=EX和泊松比=NUXY）。超弹性材料特性（2，3，5或9参数