說明：整理自Simwe論壇，復(fù)合材料版塊，原創(chuàng)fea_stud。

下面就我對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓力容器分析過程中所做的工作，從復(fù)合材料材料參數(shù)轉(zhuǎn)化、復(fù)合材料強(qiáng)度準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析幾方面寫些我的心得，與大家共同探討。
1．  復(fù)合材料材料參數(shù)的轉(zhuǎn)化
單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（也稱單向板）是指纖維按照同一方向平行排列的復(fù)合材料，是構(gòu)成層合板和殼的基本元素，可認(rèn)為是一種正交各向異性材料，也是一種橫觀各向同性材料（存在一個各向同性面），在進(jìn)行有限元計算時，必須知道復(fù)合材料的彈性特性參數(shù)，并由彈性特性參數(shù)來計算正交各向異性材料的9個參數(shù)（在ANSYS程序中定義材料時所需3個彈性模量、3個泊松系數(shù)和3個剪切模量），單向復(fù)合材料特性的計算有許多種方法，主要的方法有Halpin-Tai的彈性力學(xué)方法，這種方法根據(jù)彈性理論將復(fù)雜的纖維與樹脂間的關(guān)系用一組方程來表示，通過求解方程組，解得彈性參數(shù)，我們使用的9個彈性參數(shù)的計算是通過單向復(fù)合材料的剛度矩陣轉(zhuǎn)化得到，下面是用APDL語言編寫的材料轉(zhuǎn)化程序。
MAT_PAR_COMP
!*****************************************************************
!*this macro is used to calculate material parameters of composite
!*****************************************************************
E1=1.81E8
E2=1.03E7
V21=0.28
V12=E2*V21/E1
V23=0.5
V32=0.5
G12=7.17E6
RM=COS(ARG1)
RN=SIN(ARG1)
RM2=RM*RM
RM4=RM2*RM2
RN2=RN*RN
RN4=RN2*RN2
RMN=RM*RN
RMN2=RMN*RMN
!* caculate stiffness matrice of unidirectional composite material  *
VV=(1.0+V23)*(1.0-V23-2.0*V21*V12)
VV=1.0/VV
Q11=(1.0-V23*V32)*VV*E1
Q22=(1.0-V21*V12)*VV*E2
Q33=Q22
Q12=V21*(1.0+V23)*VV*E2
Q13=Q12
Q23=(V23+V21*V12)*VV*E2
Q44=(1.0-V23-2.0*V21*V12)*VV*E2*0.5
Q55=G12
Q66=Q55
!* calculate equivalent stiffness of composite material  *
HQ11=Q11*RM4+2.0*(Q12+2.0*Q66)*RMN2+Q22*RN4
HQ12=(Q11+Q22-4.0*Q66)*RMN2+Q12*(RM4+RN4)
HQ13=Q13*RM2+Q23*RN2
HQ23=Q13*RN2+Q23*RM2
HQ16=-RMN*RN2*Q22+RM2*RMN*Q11-RMN*(RM2-RN2)*(Q12+2.0*Q66)
HQ22=Q11*RN4+2.0*(Q12+2.0*Q66)*RMN2+Q22*RM4
HQ33=RN2*Q13+RM2*Q23
HQ33=Q33
HQ26=-RMN*RM2*Q22+RMN*RN2*Q11+RMN*(RM2-RN2)*(Q12+2.0*Q66)
HQ36=(Q13-Q23)*RMN
HQ44=Q44*RM2+Q55*RN2
HQ45=(Q55-Q44)*RMN
HQ55=Q55*RM2+Q44*RN2
HQ66=(Q11+Q22-2*Q12)*RMN2+Q66*(RM2-RN2)*(RM2-RN2)
QQ11=HQ11
QQ12=HQ12
QQ22=HQ22
QQ13=HQ13
QQ23=HQ23
QQ33=HQ33
QQ44=(HQ44*HQ55-HQ45*HQ45)/HQ55
QQ55=(HQ44*HQ55-HQ45*HQ45)/HQ44
QQ66=HQ66
Q(1)=QQ11
Q(2)=QQ12
Q(3)=QQ13
Q(4)=QQ22
Q(5)=QQ23
Q(6)=QQ33
Q(7)=QQ66
Q(8)=QQ44
Q(9)=QQ55
!*
QQQ=Q(1)*(Q(4)*Q(6)-Q(5)*Q(5))-Q(2)*(Q(2)*Q(6)-Q(3)*Q(5))+Q(3)*(Q(2)*Q(5)-Q(3)*Q(4))
S1=(Q(4)*Q(6)-Q(5)*Q(5))/QQQ
S2=-(Q(2)*Q(6)-Q(3)*Q(5))/QQQ
S3=(Q(2)*Q(5)-Q(3)*Q(4))/QQQ
S4=(Q(1)*Q(6)-Q(3)*Q(3))/QQQ
S5=-(Q(1)*Q(5)-Q(2)*Q(3))/QQQ
S6=(Q(1)*Q(4)-Q(2)*Q(2))/QQQ
S7=1/Q(7)
S8=1/Q(8)
S9=1/Q(9)


EEX=1/S1
EEY=1/S4
EEZ=1/S6
VXY=-S2*EEX
VXZ=-S3*EEX
VYZ=-S5*EEY
GXY=1/S7
GYZ=1/S8
GXZ=1/S9
/EOF

2．  復(fù)合材料強(qiáng)度準(zhǔn)則
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的受力及應(yīng)力應(yīng)變情況非常復(fù)雜，并要考慮各種應(yīng)力應(yīng)變的耦合和相互影響，復(fù)合材料強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則基于結(jié)構(gòu)的宏觀破壞，一般來說復(fù)合材料的二次蔡-吳強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則較為精確。有興趣的朋友可以參考科學(xué)出版社出版的蔡為侖先生的《復(fù)合材料設(shè)計》這一本書。
3．  復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析
一般說來，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)總是受到空間力的作用，其應(yīng)力分布是三維的，因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度分析一般不宜采用復(fù)合材料的板殼理論（這種理論僅考慮板殼面內(nèi)的應(yīng)力和橫向剪切應(yīng)力，而忽略法向應(yīng)力），同時，對于簡單的結(jié)構(gòu)（如板、殼），可以得到彈性力學(xué)的一般解，而對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)來說，則必須用數(shù)值的方法計算，三維有限元分析是最常用的方法。采用ANSYS程序?qū)?fù)合材料進(jìn)行剛強(qiáng)度分析的步驟如下：
（1）  建立結(jié)構(gòu)的幾何模型
   由于復(fù)合材料分析單元一般都是六面體單元，因此，在建立幾何時要特別考慮到網(wǎng)格劃分的方便。
（2）  建立材料模型
   根據(jù)復(fù)合材料材料參數(shù)建立單向復(fù)合材料材料模型，我所采用的是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，有兩種建立方法。
a.  若選擇單元為各向異性單元，則根據(jù)單向復(fù)合材料的剛度矩陣或柔度矩陣建立各向異性材料模型；
b.  若選擇層合單元，則可以建立相關(guān)的材料模型，如單向復(fù)合材料則可以建立正交各向異性材料模型
（3）  選擇單元類型并設(shè)置相關(guān)屬性
   根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和計算要求，選擇不同的單元類型并設(shè)置單元屬性（各種單元的選擇依據(jù)請參考概述篇或ANSYS幫助文件）
（4）  網(wǎng)格劃分
   在建立的幾何實體上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于復(fù)合材料，選擇六面體三維實體單元，定義單元屬性，分別指定不同的材料屬性，并保證材料坐標(biāo)一致，運用有限元網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。  
（5）  定義邊界條件
   根據(jù)實際情況定義邊界條件。
（6）  分析設(shè)定并提交計算
   設(shè)定分析類型及相關(guān)一些參數(shù)
（7）  結(jié)果后處理
   復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果在進(jìn)行后處理時，非常重要的一點是選擇合適的并與計算時所用的坐標(biāo)一致的結(jié)果坐標(biāo)系，如對于回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)選擇計算時的柱坐標(biāo)。另外，對于用各向異性單元（Solid64）來模擬的計算結(jié)果在結(jié)果處理時必須保證應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的一致，主要是在不同種復(fù)合材料層間或者同一種復(fù)合材料不同鋪層方向的層之間界面的應(yīng)力應(yīng)變情況，ANSYS后處理中所得到的結(jié)果不完全是正確的，應(yīng)該根據(jù)法向應(yīng)力聯(lián)系，面內(nèi)應(yīng)變連續(xù)的準(zhǔn)則來進(jìn)行處理。

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