你不知道的CAE小常識(shí)（六）

Ansys復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析總結(jié)

分析篇

下面就我對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓力容器分析過(guò)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(xiě)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(gè)各向同性面），在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，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(lái)計(jì)算正交各向異性材料的9個(gè)參數(shù)（在ANSYS程序中定義材料時(shí)所需3個(gè)彈性模量、3個(gè)泊松系數(shù)和3個(gè)剪切模量），單向復(fù)合材料特性的計(jì)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(shù)脂間的關(guān)系用一組方程來(lái)表示，通過(guò)求解方程組，解得彈性參數(shù)，我們使用的9個(gè)彈性參數(shù)的計(jì)算是通過(guò)單向復(fù)合材料的剛度矩陣轉(zhuǎn)化得到。

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(lái)說(shuō)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(jì)》這一本書(shū)。 
3． 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析 
一般說(shuō)來(lái)，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(shí)，對(duì)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)（如板、殼），可以得到彈性力學(xué)的一般解，而對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，則必須用數(shù)值的方法計(jì)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(shí)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(jì)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(qǐng)參考概述篇或ANSYS幫助文件） 
（4） 網(wǎng)格劃分 
在建立的幾何實(shí)體上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于復(fù)合材料，選擇六面體三維實(shí)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(yùn)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(shí)際情況定義邊界條件。 
（6） 分析設(shè)定并提交計(jì)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(shí)，非常重要的一點(diǎn)是選擇合適的并與計(jì)算時(shí)所用的坐標(biāo)一致的結(jié)果坐標(biāo)系，如對(duì)于回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)選擇計(jì)算時(shí)的柱坐標(biāo)。另外，對(duì)于用各向異性單元（Solid64）來(lái)模擬的計(jì)算結(jié)果在結(jié)果處理時(shí)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(lái)進(jìn)行處理

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