ANSYS知識普及11——如何分析復合材料（2）（ANSYS專家編輯，非原創，歡迎轉摘）

寧博士CAE團隊

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編輯人：技術鄰ANSYS專家

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復合材料結構分析總結（二）——建模篇

ANSYS坐標系總結

工作平面（Working Plane）

工作平面是創建幾何模型的參考(X,Y)平面，在前處理器中用來建模(幾何和網格)

總體坐標系
在每開始進行一個新的ANSYS分析時，已經有三個坐標系預先定義了。它們位于模型的總體原點。三種類型為:
CS,0: 總體笛卡爾坐標系
CS,1: 總體柱坐標系
CS,2: 總體球坐標系
數據庫中節點坐標總是以總體笛卡爾坐標系，無論節點是在什么坐標系中創建的。

局部坐標系
局部坐標系是用戶定義的坐標系。局部坐標系可以通過菜單路徑Workplane>Local CS>Create LC來創建。
激活的坐標系是分析中特定時間的參考系。缺省為總體笛卡爾坐標系。當創建了一個新的坐標系時，新坐標系變為激活坐標系。這表明后面的激活坐標系的命令。菜單中激活坐標系的路徑 Workplane>Change active CS to>。

節點坐標系
每一個節點都有一個附著的坐標系。節點坐標系缺省總是笛卡爾坐標系并與總體笛卡爾坐標系平行。節點力和節點邊界條件（約束）指的是節點坐標系的方向。時間歷程后處理器 /POST26 中的結果數據是在節點坐標系下表達的。而通用后處理器/POST1中的結果是按結果坐標系進行表達的。

例如: 模型中任意位置的一個圓，要施加徑向約束。首先需要在圓的中心創建一個柱坐標系并分配一個坐標系號碼(例如CS,11)。這個局部坐標系現在成為激活的坐標系。然后選擇圓上的所有節點。通過使用 "Prep7>Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 選擇節點的節點坐標系的朝向將沿著激活坐標系的方向。未選擇節點保持不變。節點坐標系的顯示通過菜單路徑Pltctrls>Symbols>Nodal CS。這些節點坐標系的X方向現在沿徑向。約束這些選擇節點的X方向，就是施加的徑向約束。

注意：節點坐標系總是笛卡爾坐標系。可以將節點坐標系旋轉到一個局部柱坐標下。這種情況下，節點坐標系的X方向指向徑向，Y方向是周向（theta）。可是當施加theta方向非零位移時，ANSYS總是定義它為一個笛卡爾Y位移而不是一個轉動（Y位移不是theta位移）。

單元坐標系
單元坐標系確定材料屬性的方向（例如，復合材料的鋪層方向）。對后處理也是很有用的，諸如提取梁和殼單元的膜力。單元坐標系的朝向在單元類型的描述中可以找到。

結果坐標系
/Post1通用后處理器中 (位移, 應力，支座反力)在結果坐標系中報告，缺省平行于總體笛卡爾坐標系。這意味著缺省情況位移，應力和支座反力按照總體笛卡爾在坐標系表達。無論節點和單元坐標系如何設定。要恢復徑向和環向應力，結果坐標系必須旋轉到適當的坐標系下。這可以通過菜單路徑Post1>Options for output實現。 /POST26時間歷程后處理器中的結果總是以節點坐標系表達。

顯示坐標系
顯示坐標系對列表圓柱和球節點坐標非常有用(例如, 徑向，周向坐標)。建議不要激活這個坐標系進行顯示。屏幕上的坐標系是笛卡爾坐標系。顯示坐標系為柱坐標系，圓弧將顯示為直線。這可能引起混亂。因此在以非笛卡爾坐標系列表節點坐標之后將顯示坐標系恢復到總體笛卡爾坐標系。

下面關于ANSYS變層厚復合材料殼的例子，供學習

對于疊層狀符合材料殼，可以采用shell181，shell91或shell99來模擬，通常推薦使用she
ll181，因為這個單元提供了最強的材料模型、非線性以及求解技術支持能力，而且可以方
便地進行截面偏置或定義厚度函數。厚度函數可以指定隨坐標變化的殼厚度，來模擬變厚
度殼。但對于shell181單元來說，厚度函數只用來控制殼的總厚度，并不能控制單層厚度
，各個疊層的厚度是由總厚度根據殼截面定義中輸入的各層厚度值按比例分配的。但有些
情況下，我們需要控制單層的厚度函數，也就是說復合材料中只有某一層或幾層的厚度是
坐標的函數，而其余層的厚度并沒有變化，這種情況下就不能用總厚度來控制了：如下圖
所示的復合材料截面。

只有中間兩層的厚度在變化，這種情況下就需要我們根據函數指定中間兩層的厚度，而其
余層的厚度不變，這時用shell181單元就不好實現了。可以用shell91或shell99來實現這
種情況，這兩種殼單元和shell181不同，不是通過截面來定義鋪層，而是通過實常數定義
，可以定義每一個單層的變厚度，即每一層在四個角節點上的厚度。只要對每個單元定義
一個實常數，其每一層的厚度通過實常數定義其對應角節點所在位置的層厚度，就可以實
現層厚的函數化。由于每一層每個角節點的厚度值都是實常數中的某個數值，所以可以通
過RTHICK命令根據函數來修改實常數，從而達到這樣一個目的。關于RTHICK命令的說明這
里不進行詳細描述，可以參閱ANSYS幫助中對這個命令的詳細介紹，下面通過一個例子用sh
ell91單元來說明具體方法。

這個例子為20×10的一個板，如下圖所示。其厚度沿長邊方向變化，左半部分為32層，中
間兩層厚度由0.125逐漸收縮到0，其余層厚不變，右半部分為30層，情況類似。可以參閱
上圖，只是層數有所不同。

命令流如下（注：本例只是為了說明方法，殼的厚度偏大，可能并不適合用殼單元來模擬
，只是為了后處理中便于看到結果，實際結構厚度可能小的多，您可以根據需要調整）：

/prep7
ET,1,SHELL91,32,1
KEYOPT,1,11,0,
KEYOPT,1,8,1
ET,2,SHELL91,30,1
KEYOPT,2,11,0,
KEYOPT,2,8,1

MP,EX,1,135000
MP,EY,1,8800
MP,EZ,1,8800
MP,PRXY,1,0.33
MP,PRYZ,1,0.33
MP,PRXZ,1,0.33
MP,GXY,1,4470
MP,GYZ,1,4470
MP,GXZ,1,4470

RECTNG,0,10,0,10,
RECTNG,10,20,0,10,
AGLUE,all

LESIZE,all, , ,20, , , , ,1
!*

ASEL,S,LOC,X,0,10
MSHAPE,0,2D
MSHKEY,0
TYPE, 1
AMESH,all
allsel,all

ASEL,S,LOC,X,10,20
MSHAPE,0,2D
MSHKEY,0
TYPE, 2
AMESH,all
allsel,all

CSWPLA,11,0,1,1,
esys,11

*GET,MXNODE,NODE,,NUM,MAX,
*GET,MXELE,ELEM,,NUM,MAX,
*DIM,THICK,,MXNODE

ESEL,S,TYPE,,1
NSLE,S

*DO,ELE,1,MXELE
*IF,ESEL(ELE),EQ,1,THEN
R,ELE
RMODIF,ELE,1,32,0, , , ,0
RMODIF,ELE,13,1,45,0.125,0,0,0, !1
RMODIF,ELE,19,1,135,0.125,0,0,0, !2
RMODIF,ELE,25,1,90,0.125,0,0,0, !3
RMODIF,ELE,31,1,135,0.125,0,0,0, !4
RMODIF,ELE,37,1,45,0.125,0,0,0, !5
RMODIF,ELE,43,1,90,0.125,0,0,0, !6
RMODIF,ELE,49,1,135,0.125,0,0,0, !7
RMODIF,ELE,55,1,45,0.125,0,0,0, !8
RMODIF,ELE,61,1,0,0.125,0,0,0, !9
RMODIF,ELE,67,1,45,0.125,0,0,0, !10
RMODIF,ELE,73,1,135,0.125,0,0,0, !11
RMODIF,ELE,79,1,90,0.125,0,0,0, !12
RMODIF,ELE,85,1,135,0.125,0,0,0, !13
RMODIF,ELE,91,1,45,0.125,0,0,0, !14
RMODIF,ELE,97,1,0,0.125,0,0,0, !15
RMODIF,ELE,103,1,45,0.125,0,0,0, !16
RMODIF,ELE,109,1,135,0.125,0,0,0, !17
RMODIF,ELE,115,1,90,0.125,0,0,0, !18
RMODIF,ELE,121,1,45,0.125,0,0,0, !19
RMODIF,ELE,127,1,135,0.125,0,0,0, !20
RMODIF,ELE,133,1,90,0.125,0,0,0, !21
RMODIF,ELE,139,1,135,0.125,0,0,0, !22
RMODIF,ELE,145,1,45,0.125,0,0,0, !23
RMODIF,ELE,151,1,0,0.125,0,0,0, !24
RMODIF,ELE,157,1,45,0.125,0,0,0, !25
RMODIF,ELE,163,1,135,0.125,0,0,0, !26
RMODIF,ELE,169,1,90,0.125,0,0,0, !27
RMODIF,ELE,175,1,45,0.125,0,0,0, !28
RMODIF,ELE,181,1,135,0.125,0,0,0, !29
RMODIF,ELE,187,1,90,0.125,0,0,0, !30
RMODIF,ELE,193,1,135,0.125,0,0,0, !31
RMODIF,ELE,199,1,45,0.125,0,0,0, !32
*ENDIF
*ENDDO

*DO,NODE,1,MXNODE
*IF,NSEL(NODE),EQ,1,THEN
THICK(node) = 0.125-0.0125*NX(NODE)
*ENDIF
*ENDDO

RTHICK,THICK(1),105,106,107,108
RTHICK,THICK(1),111,112,113,114

*DO,NODE,1,MXNODE
THICK(node) =0

*ENDDO
ALLSEL,ALL

ESEL,S,TYPE,,2
NSLE,S

*DO,ELE,1,MXELE
*IF,ESEL(ELE),EQ,1,THEN
R,ELE
RMODIF,ELE,1,30,0, , , ,0
RMODIF,ELE,13,1,45,0.125,0,0,0, !1
RMODIF,ELE,19,1,135,0.125,0,0,0, !2
RMODIF,ELE,25,1,90,0.125,0,0,0, !3
RMODIF,ELE,31,1,135,0.125,0,0,0, !4
RMODIF,ELE,37,1,45,0.125,0,0,0, !5
RMODIF,ELE,43,1,90,0.125,0,0,0, !6
RMODIF,ELE,49,1,135,0.125,0,0,0, !7
RMODIF,ELE,55,1,45,0.125,0,0,0, !8
RMODIF,ELE,61,1,0,0.125,0,0,0, !9
RMODIF,ELE,67,1,45,0.125,0,0,0, !10
RMODIF,ELE,73,1,135,0.125,0,0,0, !11
RMODIF,ELE,79,1,90,0.125,0,0,0, !12
RMODIF,ELE,85,1,135,0.125,0,0,0, !13
RMODIF,ELE,91,1,45,0.125,0,0,0, !14
RMODIF,ELE,97,1,0,0.125,0,0,0, !15
RMODIF,ELE,103,1,45,0.125,0,0,0, !16
RMODIF,ELE,109,1,135,0.125,0,0,0, !17
RMODIF,ELE,115,1,90,0.125,0,0,0, !18
RMODIF,ELE,121,1,45,0.125,0,0,0, !19
RMODIF,ELE,127,1,135,0.125,0,0,0, !20
RMODIF,ELE,133,1,90,0.125,0,0,0, !21
RMODIF,ELE,139,1,135,0.125,0,0,0, !22
RMODIF,ELE,145,1,45,0.125,0,0,0, !23
RMODIF,ELE,151,1,0,0.125,0,0,0, !24
RMODIF,ELE,157,1,45,0.125,0,0,0, !25
RMODIF,ELE,163,1,135,0.125,0,0,0, !26
RMODIF,ELE,169,1,90,0.125,0,0,0, !27
RMODIF,ELE,175,1,45,0.125,0,0,0, !28
RMODIF,ELE,181,1,135,0.125,0,0,0, !29
RMODIF,ELE,187,1,90,0.125,0,0,0, !30
*ENDIF
*ENDDO

*DO,NODE,1,MXNODE
*IF,NSEL(NODE),EQ,1,THEN
THICK(node) = 0.125-0.0125*(NX(NODE)-10)
*ENDIF
*ENDDO

RTHICK,THICK(1),99,100,101,102
RTHICK,THICK(1),105,106,107,108

*DO,NODE,1,MXNODE
THICK(node) =0
*ENDDO

ALLSEL,ALL
/ESHAPE,1.0
EPLOT