ANSYS知識普及10——如何分析復合材料（1）（ANSYS專家編輯，非原創，歡迎轉摘）

寧博士CAE團隊

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本人準備出一個ANSYS知識普及系列，將有用的網上資料歸攏，由于知識水平有限，不對之處請諒解。也歡迎各位網友提供好的資料分享，讓我們共同完成這個ANSYS知識普及系列。

編輯人：技術鄰ANSYS專家

業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981

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聲明:1、ANSYS知識普及系列中所有資料均來自網上；

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轉自simwe，感謝fea_stud發表的這個貼子，很不錯，我把它編輯一下,也做了一些補充,便于大家學習交流。

1. 復合材料結構分析總結（一）——概述篇

2. 復合材料結構分析總結（二）——建模篇

3. 復合材料結構分析總結（三）——分析篇

4. 復合材料結構分析總結（四）——優化篇

復合材料結構分析總結（一）——概述篇
復合材料是由一種以上具有不同性質的材料構成，其主要優點是具有優異的材料性能，在工程應用中典型的一種復合材料為纖維增強復合材料，這種材料的特性表現為正交各向異性，對于這種材料的模擬，很多的程序都提供了一些處理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相應的處理方法。筆者最初是用I-Deas下建立各項異性材料結合三維實體結構單元來模擬（由于研究對象是厚壁容器，不宜采用殼單元），分析結果還是非常好的，而且I-Deas強大的建模功能，但由于課題要求要進行壓力容器的優化分析，而且必須要自己寫優化程序，I-Deas的二次開發功能開放性不是很強，所以改為MSC.Patran，Patran提供了一種非常好的二次開發編程語言PCL（以后在MSC的版中專門給大家貼出這部分內容），采用Patran結合Nastran的分析環境，建立了基于正交各項異性和各項異性兩種分析模型，但最終發現，在得到的最后結果中，復合材料層之間的應力結果始終不合理，而模型是沒有問題的（因為在I-Deas中，相同的模型結果是合理的），于是最后轉向Ansys，剛開始接觸Ansys，真有相見恨晚的感覺，豐富的單元庫，開放的二次開發環境（APDL語言），下面就重點寫Ansys的內容。

在ANSYS程序中，可以通過各項異性單元（Solid 64）來模擬，另外還專門提供了一類層合單元（Layer Elements）來模擬層合結構（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的復合材料。

采用ANSYS程序對復合材料結構進行處理的主要問題如下：
（1）  選擇單元類型
針對不同的結構和輸出結果的要求，選用不同的單元類型。
Shell 99 —— 線性結構殼單元，用于較小或中等厚度復合材料板或殼結構，一般長度方向和厚度方向的比值大于10；
Shell 91 —— 非線性結構殼單元，這種單元支持材料的塑性和大應變行為；
Shell 181—— 有限應變殼單元，這種單元支持幾乎所有的包括大應變在內的材料的非線性行為；
Solid 46 —— 三維實體結構單元，用于厚度較大的復合材料層合殼或實體結構；
Solid 191—— 三維實體結構單元，高精度單元，不支持材料的非線性和大變形。
（2）  定義層屬性配置
主要是定義單層的層屬性，對于纖維增強復合材料，在這里可以定義單層厚度、纖維方向等。
（3）  定義失效準則
支持多種失效準則，不過我還是沒有用他，而是自己寫了通過應力結果采用二次蔡胡準則程序來判斷的。

失效準則用于獲知在所加載荷下，各層是否失效。用戶可從三種預定義好了的失效準則中選擇失效準則，或者自定義多達六種的失效準則。三種預定義失效準則是：

最大應變失效準則，它允許有九個失效應變；

最大應力失效準則，它允許有九個失效應力；

Tsai-Wu失效準則，它允許有九個失效應力和三個附加的耦合系數。有兩種方式可用以計算這種準則，詳見《ANSYS Theory Reference 》式(14.99-35)和式(14.99-36)。

失效應變、應力和耦合系數可以是與溫度相關的。《ANSYS Elements Reference》中有每種準則所需數據的詳細介紹。通過TB命令族或FC命令族指定失效準則。

TB命令族包括TB、TBTEMP和TBDATA 命令(Main Menu>Preprocessor>

Material Props>Material Models>Structural> Nonlinear>Inelastic>Non-Metal Plasticity>Failure Criteria)。其典型的命令流如下：

TB,FAIL,1,2 ! Data table for failure criterion, material 1,

! no. of temperatures = 2

TBTEMP,,CRIT ! Failure criterion key

TBDATA,2,1 ! Maximum Stress Failure Criterion (Const. 2 = 1)

TBTEMP,100 ! Temperature for subsequent failure properties

TBDATA,10,1500,,40,,10000 ! X, Y, and Z failure tensile stresses (Z value

! set to a large number)

TBDATA,16,200,10000,10000 ! XY, YZ, and XZ failure shear stresses

TBLIST

TBTEMP,200 ! Second temperature

TBDATA,...

有關TB, TBTEMP, TBDATA 和 TBLIST 命令見《ANSYS Commands Reference》。

FC命令族包括FC、FCDELE和FCLIST命令（Main Menu>Preprocessor>

Material Props>Material Models>Structural> Nonlinear>Inelastic>Non-Metal Plasticity>Failure Criteria 和 Main Menu>General Postprocessor>

Failure Criteria)，其典型的命令流如下：

FC,1,TEMP,, 100, 200 ! Temperatures

FC,1,S,XTEN, 1500, 1200 ! Maximum stress components

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 ! List status of Failure Criteria at 100.0 degrees

FCLIST, ,150 ! List status of Failure Criteria at 150.0 degrees

FCLIST, ,200 ! List status of Failure Criteria at 200.0 degrees

PRNSOL,S,FAIL ! Use Failure Criteria

注意—TB命令（TB，TBTEMP和TBDATA）僅適用于SHELL91、SHELL99、SOLID46或SOLID191，而FC和FCLIST命令適用于所有的二維或三維結構實體單元和三維殼單元。

定義失效準則的一些注意事項：

失效準則是正交各向異性的，因此用戶必須輸入所有方向上的失效應力或失效應變值(在壓縮值等于拉伸值時例外)；

如果不希望在某個特定的方向上檢查失效應力或失效應變，則在那個方向上定義一個大值(如前面命令流中那樣)。

用戶可通過用戶子程序 USRFC1 到 USRFC6 自定義失效準則。這些子程序應事先與 ANSYS 程序作聯接。見《ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide》中有關用戶編程功能的說明。
（4）其他的一些建模技巧和后處理指導

適用于復合材料結構分析的單元類型

針對復合材料結構分析，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分析類型和所需的計算結果來確定。下面詳細介紹每個單元類型及其應用范圍。

1、 SHELL99單元

SHELL99單元為3D線性結構殼單元，包含8個節點，每個節點有6個自由度。該單元適用于薄到中等厚度的板和殼體結構，要求結構的寬（長）厚比大于10（目的使得平面應力假設能夠成立）。對于寬（長）厚比小于10的結構則應考慮使用SOLID46單元建模（生成有限元模型）。SHELL99允許多達250層的等厚度材料層，或者是125層厚度在單元面內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、大應變等大變形情況，并可以模擬“三明治”結構。

3、SHELL181單元

SHELL181單元是一種4節點3D殼單元，每個節點有6個自由度。該單元具有包含大應變的完全非線性性能，最多允許255層復合材料，各層的信息可以通過截面相關命令輸入。

4、SHELL190單元

SHELL190單元是一種4節點3D單元，每個節點有3個自由度。該單元具有包含大應變性能，最多允許255層復合材料，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續，各層的信息可以通過截面相關命令輸入。

5、SOLID46單元

SOLID46單元是8節點3D單元SOLID45的一種層疊形式，每個節點有3個自由度，每個單元最多允許250層的等厚度復合材料，同樣允許125層厚度在單元面內成雙線性變化的不等厚度材料層。該單元的另一個特點是可以用幾個單元疊加的方式對多于250層的復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，而且用戶可以輸入自定義的本構矩陣。于8節點殼單元相比，SOLID46單元的階次要低，因此，在殼結構分析中要得到與SHELL99或SHELL91單元相同的求解結果，需要更密的網格。關于Solid 46單元：

（1） Solid 46是用于模擬復合材料厚殼或實體的8節點三維層合結構單元，單元節點有x,y和z方向三個結構自由度，單元允許最多250層不同的材料；

（2）這種單元的定義包括：8個節點、各層厚度、各層材料方向角和正交各項異性材料屬性，其中每層可以為面內兩個方向雙線性的不等厚層；

（3）在材料定義時，只需定義材料主方向和材料坐標系（單元坐標系）一致的材料參數，不一致的復合材料層通過定義材料方向角（該層材料主方向和材料坐標系所成的角度）由程序自動轉換；

（4）通過選擇不同的層直接在單元坐標下獲取單元應力，包括三個方向的應力和面內剪切應力，而不需要通過應力應變的轉換來獲取；

6、SOLID186單元

SOLID186單元是20節點3D實體單元，每個節點有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，支持材料的非線性行為和大變形。

7、SOLID191單元

SOLID191單元是20節點3D實體單元SOLID195的一種層疊形式，每個節點有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。SHELL191單元不支持材料的非線性行為和大變形。

8、其他

除上述單元外，還有其它的一些具有層功能的單元：

SOLID95 是20節點的結構實體單元，在KEYOPT(1)=1時，其作用與單層的SOLID191單元類似，包括應用方位角和失效準則，還允許非線性材料和大撓度。

SHELL63 是四節點殼單元，可用于對“三明治”殼結構作粗糙、近似的計算。象兩塊金屬片之間夾有一層聚合物的問題就很典型，此時聚合物的彎曲剛度相對于金屬片的彎曲剛度來說是一個小量。用戶可以用實常數 RMI 來修正單元的彎曲剛度，使其等效于由金屬片引起的彎曲剛度。從中面到外層纖維的距離(實常數 CTOP 和 CBOT)可用來獲得“三明治”殼的表層輸出應力。這種單元不如 SHELL91 、SHELL99 和 SHELL181 那樣用得頻繁，故后面不再論述。

SOLID65 是三維鋼筋混凝土實體單元，可以模擬在三個用戶指定方向配筋的各向同性介質。

BEAM188 和 BEAM189 為三維有限應變梁單元，其截面可以包含多種材料。

在我的分析工作中，主要采用了三維實體結構單元。
關于Solid 46單元
（1）  Solid 46是用于模擬復合材料厚殼或實體的8節點三維層合結構單元，單元節點有x,y和z方向三個結構自由度，單元允許最多250層不同的材料；
（2）  這種單元的定義包括：8個節點、各層厚度、各層材料方向角和正交各項異性材料屬性，其中每層可以為面內兩個方向雙線性的不等厚層；
（3）  在材料定義時，只需定義材料主方向和材料坐標系（單元坐標系）一致的材料參數，不一致的復合材料層通過定義材料方向角（該層材料主方向和材料坐標系所成的角度）由程序自動轉換；
（4）  通過選擇不同的層直接在單元坐標下獲取單元應力，包括三個方向的應力和面內剪切應力，而不需要通過應力應變的轉換來獲取；