以前搜集的一些資料，并非我原創(chuàng)但是沒找到出處，很多年以前的資料，可能版本比較古老，僅給大家做個參考。

---

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析包括復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)分析。與一般各向同性材料（isotropic material）相比，復(fù)合材料的建模過程要復(fù)雜些，復(fù)合材料各層為正交各向異性材料（orthotropic material），材料的性能與材料主軸的取向有關(guān)， 因而在開始復(fù)合材料分析之前，筆者認(rèn)為非常有必要對相關(guān)的單元類型及如何選擇單元、模型建立、劃分網(wǎng)格、施加載荷等基本知識有所認(rèn)識。建議讀者在后面實(shí)戰(zhàn)過程中能經(jīng)常返回本章節(jié)參考相應(yīng)的說明，從而加深理解，做到融會貫通。

 

3.1  適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的單元類型

 針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析，Ansys程序中提供了7種單元類型，分別是SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186、SOLID191單元。單元類型的選擇主要依據(jù)分析類型和所需的計算結(jié)果來確定。下面詳細(xì)介紹每個單元類型及其應(yīng)用范圍。

1、 SHELL99單元

SHELL99單元為3D線性結(jié)構(gòu)殼單元，包含8個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)有6個自由度。該單元適用于薄到中等厚度的板和殼體結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)的寬（長）厚比大于10（目的使得平面應(yīng)力假設(shè)能夠成立）。對于寬（長）厚比小于10的結(jié)構(gòu)則應(yīng)考慮使用SOLID46單元建模（生成有限元模型）。SHELL99允許多達(dá)250層的等厚度材料層，或者是125層厚度在單元面內(nèi)成雙線性變化的不等厚材料層。如果材料層大于250層，用戶可以通過設(shè)置keyopt(2)=3or4來定義材料矩陣。

2、SHELL91單元

SHELL91單元與SHELL99單元類似，不同之處在于它允許的復(fù)合材料最多100層，用戶不能輸入自定義的材料矩陣，另外，SHELL91單元支持塑性、大應(yīng)變等大變形情況，并可以模擬“三明治”結(jié)構(gòu)。

3、SHELL181單元

SHELL181單元是一種4節(jié)點(diǎn)3D殼單元，每個節(jié)點(diǎn)有6個自由度。該單元具有包含大應(yīng)變的完全非線性性能，最多允許255層復(fù)合材料，各層的信息可以通過截面相關(guān)命令輸入。

4、SHELL190單元

SHELL190單元是一種4節(jié)點(diǎn)3D單元，每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度。該單元具有包含大應(yīng)變性能，最多允許255層復(fù)合材料，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)，各層的信息可以通過截面相關(guān)命令輸入。

5、SOLID46單元

SOLID46單元是8節(jié)點(diǎn)3D單元SOLID45的一種層疊形式，每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度，每個單元最多允許250層的等厚度復(fù)合材料，同樣允許125層厚度在單元面內(nèi)成雙線性變化的不等厚度材料層。該單元的另一個特點(diǎn)是可以用幾個單元疊加的方式對多于250層的復(fù)合材料建模并允許沿厚度方向的橫向變形斜率可以不連續(xù)，而且用戶可以輸入自定義的本構(gòu)矩陣。于8節(jié)點(diǎn)殼單元相比，SOLID46單元的階次要低，因此，在殼結(jié)構(gòu)分析中要得到與SHELL99或SHELL91單元相同的求解結(jié)果，需要更密的網(wǎng)格，

6、SOLID186單元

SOLID186單元是20節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元，每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度。每個單元最多允許有250層的等厚度材料層，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)，支持材料的非線性行為和大變形。

7、SOLID191單元

SOLID191單元是20節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元SOLID195的一種層疊形式，每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度。每個單元最多允許有100層的等厚度材料層，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)。SHELL191單元不支持材料的非線性行為和大變形。

3.2  建立模型

本節(jié)中將簡要介紹Ansys中建模一般采用的兩種方法，分別是直接建模和從CAD軟件中導(dǎo)入模型，以及根據(jù)分析類型的不同來選擇模型類型。考慮到Ansys分析中絕大部分的模型都要從其他CAD軟件中導(dǎo)入，而CAD模型文件有各種各樣的格式，比如：IGES、STEP、PARA、CATIA、UG等等，如果對這些格式的特點(diǎn)不熟悉的話，導(dǎo)入結(jié)果往往不盡人意。

3.2.1  建模方法

建立Ansys結(jié)構(gòu)分析模型主要有兩種方法：直接建模和輸入CAD軟件中創(chuàng)建好的模型。形狀比較簡單的模型可以采用直接創(chuàng)建模型，對于形狀復(fù)雜的模型，建議從CAD軟件導(dǎo)入以節(jié)省建模時間，導(dǎo)入的CAD模型要盡量簡化，放棄不重要的細(xì)節(jié)，從而減少導(dǎo)入Ansys時過多信息丟失和劃分網(wǎng)格失敗的幾率。

另外，模型的建立需要根據(jù)實(shí)際分析類型的不同而不同，例如對于板殼結(jié)構(gòu)，如果想采用殼體單元類型（SHELL），則模型只要建立曲面就可以了，不需要建立有厚度的體模型，相應(yīng)的，如果分析的問題為實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用的單元為實(shí)體單元（SOLID），建立的模型就需要包含厚度信息。

鑒于IGES數(shù)據(jù)格式在當(dāng)前數(shù)據(jù)交換領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，參考ANSYS幫助文檔，編寫了如何在ANSYS環(huán)境下導(dǎo)入IGES文件，以及相關(guān)的修復(fù)操作，詳細(xì)內(nèi)容見附錄A。

3.3  網(wǎng)格劃分

根據(jù)個人喜好，有的模型借助其他前處理軟件也可以劃分網(wǎng)格，然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元計算，這不是本文的關(guān)注內(nèi)容。對于沒有劃分網(wǎng)格的模型，由前面的介紹可知，ANSYS的基本求解思想是離散化的思想，在求解前必須對其劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的劃分分為定義單元類型、網(wǎng)格生成選項(xiàng)設(shè)置和生成網(wǎng)格三個步驟。

3.3.1  定義單元類型

⑴、定義單元類型GUI路徑為：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Element Type】|【Add/Edit/Delete】，執(zhí)行命令后ANSYS會打開如圖8所示的對話框，點(diǎn)擊Add增加新的單元類型，彈出圖9所示單元類型列表對話框。

圖9中有兩個列表框，左邊一個為單元類列表框，右邊列表框?yàn)樵擃悊卧掳木唧w單元，每一種單元都對應(yīng)一個數(shù)字號碼。在“Element type reference number”輸入框中的數(shù)字為單元參考號，這個號碼代表了本次結(jié)構(gòu)分析中該單元類型，在劃分網(wǎng)格時只要指定單元類型參考號即可將該單元類施加到模型上。

選擇單元的原則基本原則是在滿足求解精度的前提下盡量采用低維數(shù)的單元，選擇單元優(yōu)先級從高到低依次為點(diǎn)、線、面、殼、實(shí)體。

⑵、定義實(shí)常數(shù)

為了準(zhǔn)確求解，有時要對所選單元的幾何特征進(jìn)行補(bǔ)充，這些補(bǔ)充通過定義實(shí)常數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。單元實(shí)常數(shù)的定義通常包括殼單元的厚度、梁單元的截面面積、慣性矩、平面單元的軸對稱特性等。

定義實(shí)常數(shù)GUI路徑為：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Real Constant】

Basic Smart Size Settings 包含三級網(wǎng)格密度，“1（fine）”級對應(yīng)最密的網(wǎng)格，“2”、“3”次之。Advanced Smart Size Settings可以設(shè)定全局單元尺寸、內(nèi)部面積單元尺寸變化梯度，單元擴(kuò)張或收縮快慢程度以及小孔處單元緊縮度等的設(shè)置。

3.3.3  網(wǎng)格劃分方法

ANSYS提供了方便快捷的劃分網(wǎng)格方法，劃分的網(wǎng)格具有較高的質(zhì)量。主要包括4種網(wǎng)格劃分方法：自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分、延伸網(wǎng)格劃分和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

⑴、自由網(wǎng)格劃分

ANSYS程序的自由劃分網(wǎng)格功能十分強(qiáng)大，這種網(wǎng)格劃分方法沒有單元形狀的限制，網(wǎng)格也不遵循任何模式，適用于對復(fù)雜形狀的面和體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這可以幫助用戶避免對模型的各個部分分別劃分網(wǎng)格后進(jìn)行組裝時存在的部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。圖12為規(guī)則幾何形狀和不規(guī)則幾何形狀自由網(wǎng)劃分結(jié)果。

⑵、映射網(wǎng)格劃分

映射網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾塊，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制生成映射網(wǎng)格，映射網(wǎng)格劃分適合于規(guī)則的面和體，單元成行并且具有明顯的規(guī)則形狀，對面僅適合采用四邊形單元，對體僅適合采用六面體單元。對面劃分網(wǎng)格時，所用單元必須全部是三角形單元或四邊形單元，“全部”之意是劃分完畢后的有限元模型中的單元要么是三角形要么是四邊形。具體是三角形單元還是四邊形單元，這取決于所選的單元類型以及單元形狀的設(shè)置。例如，單元PLANE42是4節(jié)點(diǎn)單元，但也可以退化為3節(jié)點(diǎn)三角形單元。

3.3.4  網(wǎng)格質(zhì)量好壞的判斷

⑴、網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到計算精度，壞的網(wǎng)格甚至?xí)?dǎo)致計算終止。一般情況下，網(wǎng)格曲面不能過分扭曲、各邊各角相差不大、邊節(jié)點(diǎn)位于邊界等分點(diǎn)附近。

⑵、網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具：ANSYS程序提供了對單元形狀進(jìn)行檢查的工具。需要提醒大家的是，ANSYS程序有時會彈出單元警告信息，但這并不意味著這些單元形狀會導(dǎo)致計算結(jié)果的不準(zhǔn)確。同時，即使程序沒有彈出任何警告信息，也不能保證能得到精確的計算結(jié)果。執(zhí)行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Checking Ctrls】|【Shaping Checking】，彈出如圖13所示的Shape Checking Controls對話框。從圖中可以看出有四個功能項(xiàng)，分別進(jìn)行介紹。

2  打開單元形狀檢查和警告模式

每次劃分網(wǎng)格時，ANSYS默認(rèn)執(zhí)行單元形狀檢查。無論是通過何種方法生成新單元，ANSYS都會按照事先設(shè)置好的形狀警告或錯誤限制參數(shù)進(jìn)行檢測。如果有單元形狀超過錯誤限制，系統(tǒng)不僅會給出錯誤信息，甚至?xí)K止網(wǎng)格的劃分，需要對網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定。

2  關(guān)閉形狀檢查

在有些情況下，用戶希望關(guān)閉形狀檢查，只打開警告模式。這時，程序在劃分網(wǎng)格時不檢查單元形狀，只給出警告，這不會導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗。

2  查看單元形狀檢查的結(jié)果

選擇“Summary”項(xiàng)，程序?qū)粤斜淼男问綄⑿螤顧z查的信息顯示出來，顯示的內(nèi)容包括長細(xì)比、雅克比、角度等各項(xiàng)檢查結(jié)果。

2  修改單元形狀檢查參數(shù)的限制

在Shape Checking Controls 對話框中選擇Change Settings，如圖14所示，彈出如圖15所示的單元形狀參數(shù)設(shè)置對話框。

這里只介紹第一項(xiàng)：Aspect ratio（縱橫比，也稱為長細(xì)比），以矩形為例，長于寬的比值就是縱橫比，這個比值不能太大，也就是不能太瘦長。ANSYS默認(rèn)的比值上限是20，超過該比值就會提示警告，但不會影響劃分網(wǎng)格，一旦超過1000000，ANSYS就會給出出錯信息，并終止網(wǎng)格劃分。

3.4 加載求解

有限元模型建立完畢后，下一步就是如何為模型施加一定的載荷了。

3.4.1 什么是載荷

在ANSYS中，載荷包括邊界條件和激勵。結(jié)構(gòu)分析中常見的載荷包括集中力/力矩、分布力、體積力（如重力、磁場力）、位移邊界條件等。

3.4.2 如何施加載荷

在ANSYS中，載荷可以施加在實(shí)體模型上或者施加在有限元模型上，但最終參與有限元計算的載荷都是施加在有限元模型上。所以施加在實(shí)體模型上的載荷最終都會轉(zhuǎn)換到有限元模型上。兩種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2  實(shí)體模型的加載

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)體模型加載不依賴于有限元網(wǎng)格，因此可以在不改變載荷的情況下改變有限元網(wǎng)格的劃分。

缺點(diǎn)：網(wǎng)格劃分命令產(chǎn)生的單元處在當(dāng)前激活坐標(biāo)系中，而節(jié)點(diǎn)位于全局坐標(biāo)系中，實(shí)體模型和有限元模型有著不同的坐標(biāo)系和載荷方向。

2  有限元模型的加載

優(yōu)點(diǎn)：可將載荷直接加在主節(jié)點(diǎn)上。只需選擇所需的節(jié)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：任何有限元網(wǎng)格的修改都將使得之前施加的載荷失效，另外因?yàn)樾枰冗x擇節(jié)點(diǎn)和單元，這種方法的工作量一般比較大。 

載荷的具體施加請參看第四章的計算實(shí)例。

---

                                                              想學(xué)習(xí)更多的知識，請聯(lián)系我們！

                                                              微信公眾號：名稱：“DR有限元”

                                                                                    號碼：“hello_cae”

---