SHELL99 5221定义各层材料的性质.docx
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SHELL995221定义各层材料的性质
5.2.2.1 定义各层材料的性质
这种方法由下到上一层一层定义材料层的配置。
底层为第一层,后续的层沿单元坐标系的Z轴正方向自底向上叠加。
如果叠层结构是对称的,可以只定义一半的材料层。
有时,某个物理层可能只延伸到模型的一部分。
为了建立连续的层,可以把这些中断的层的厚度设置为零,图5-1显示了一个四层模型,其中第二层在某处中断了。
图5-1 有中断层的层叠模型
对于每一层材料,由单元实常数表[R,RMORE,RMODIF](MaimMenu>Preprocessor>RealConstants)定义如下性质:
材料性质(通过材料参考号MAT来定义);
层的定向角(THETA);
层的厚度(TK)。
分层的截面可以通过截面工具来定义(Prep>Sections>Shell-Add/Edit)。
对每一层,通过截面命令或截面工具(SECTYPE,SECDATA)定义下面的属性:
材料性质(通过材料参考号MAT来定义)
层的定向角(THETA)
层的厚度(TK)
每层积分点的数目(NUMPT)
材料性质--与其它单元一样用MP命令(MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>StructuralImplicit>Linear>Elastic>Isotropic或Orthotropic)定义线性材料特性,用 TB 命令定义非线性数据表(塑性仅可以用于SOLID191和SHELL91单元)。
唯一不同是,复合材料单元的材料参考号由其实常数表来指定。
对于层单元,MAT 命令(MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Attributes>DefaultAttribs)属性仅用于 MP 命令的DAMP和REFT参数。
各层的线性材料特性可以是各向同性,也可以是正交异性,见《ANSYSElementsReference》。
典型的纤维加强复合材料包括各向异性材料,且这些特性主要以主泊松比的形式提供(见《ANSYSTheoryReference》§2.1.1)。
材料方向平行于层坐标系(由单元坐标系和层定向角定义)。
层的定向角--它定义层坐标系相对于单元坐标系的角度。
它是这两个坐标系的X轴之间的夹角(单位为“度”)。
缺省情况是层坐标系与单元坐标系平行。
所有单元都有缺省的坐标系,可用ESYS命令(MainMenu>Preprocessor>Attributes>DefaultAttribs)来改变。
用户还可用自己的子程序来定义单元和层坐标系(USERAN和USANLY,见《ANSYSGuidetoUserProgrammableFeatures》)。
层的厚度--如果层的厚度是常数,用户只需定义节点I处的厚度TK(I),否则四个角节点处的厚度都需输入。
中断的层必须为零厚度。
每层的积分点数目—用于确定计算结果的详细程度。
对于非常薄的层,当其和很多其它层一起使用时,有一个积分点就足够了。
但对于层数很少的片状结构,需要的积分点就应该比较多,缺省为3。
本特性仅适用于通过截面命令定义的截面。
注意--目前,GUI只允许层数(实常数)最大值为100。
如果需要层数大于100,可以使用 R 和RMORE 命令来实现。
5.2.4 应遵循的建模和后处理规则
在复合材料单元的建模和后处理中,一些附加规则如下:
1、复合材料会体现出几种类型的耦合效应,诸如弯扭耦合、拉弯耦合等。
这是由具有不同性质的多层材料互相重叠引起的。
其结果是,如果材料层的积叠顺序是非对称的,则即使模型的几何形状和载荷都是对称的,也不能按照对称条件只求解一部分模型,因为结构的位移和应力可能不对称。
2、在模型自由边界上的层间剪切应力通常都是很重要的。
要求得在这些部位相对精确的层间剪切应力,则模型边界上的单元尺寸应约等于总的叠层厚度。
对于壳来说,增加实际材料层数并不一定提高层间剪切应力的求解精度。
但是,如果用SOLID46、SOLID95、SOLID191单元,则沿厚度方向上的叠加单元会使得沿厚度方向上层间应力的求解更为精确。
壳单元的层间横向剪应力的计算基于单元上下表面不承受应力的假设。
这些层间剪应力只在单元的中心处计算,而不是沿着单元边界。
建议使用壳-实体子模型精确计算自由边的层间应力。
3、因为复合材料的求解需要大量的输入数据,故在进行求解之前应对这些数据作检验,可用如下命令来完成这些工作:
ELIST 命令(UtilityMenu>List>Elements):
列表显示所有被选单元的节点和属性。
EPLOT 命令(UtilityMenu>Plot>Elements):
图形显示所有被选单元。
在该命令之前使用[/ESHAPE,1]命令(UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SizeandShape)将使壳单元以实体单元的形式显示,显示出的厚度为从实常数中得到的厚度(图5-5)。
它也使SOLID46单元以层的形式显示出来。
图5-5 /ESHAPE打开时SHELL99单元显示
/PSYMB,LAYR,n命令(UtilityMenu>PlotCrls>Symbols):
在执行EPLOT 命令之前执行该命令,可图形显示所选全部单元的第n层。
它可用以显示并检验整个模型的每一层。
/PSYMB,ESYS,1命令:
在 EPLOT 命令之前执行该命令,可显示出那些缺省单元坐标系被改变了的单元坐标系。
LAYLIST 命令(UtilityMenu>List>Elements>LayeredElements):
可根据实常数列表显示层的叠加顺序和SHELL99、SHELL91、SOLID46、SOLID191单元的任意两种材料的性能。
还可以指定要显示层的范围。
LISTLAYERS 1TO 4INREALSET 1FORELEMENTTYPE 1
TOTALLAYERS= 4LSYM= 1LP1= 0LP2= 0 EFS =.000E+00
NO.ANGLETHICKNESS MAT
---------------------
1 45.0 0.250 1
2-45.0 0.250 2
3-45.0 0.250 2
4 45.0 0.250 1
------------------------
SUMOFTHK 1.00
LAYPLOT 命令(UtilityMenu>Plot>LayeredElements):
以卡片的形式图形显示层的积叠顺序(图5-6)。
为清楚起见,各层以不同的颜色和截面线显示,截面线的方向表示了层的方向角(实常数THETA),颜色表示了层的材料号(实常数MAT)。
还可以指定要显示层的范围。
图5-6 LAYPLOT显示的[45/-45/--45/45]顺序
SECPLOT 命令(Prep...>Sections>Shell-PlotSections):
以卡片的形式图形显示截面的积叠顺序(图5-6)。
为清楚起见,各截面以不同的颜色和截面线显示,截面线的方向表示了层的方向角(THETA),颜色表示了层的材料号(MAT)。
还可以指定要显示层的范围。
4、缺省情况下,只有第一层(底层)的底面、最后一层(顶层)的顶面以及最大失效值所在层的结果数据被写入结果文件,如果用户对所有层的结果数据都感兴趣,则应设置KEYOPT(8)=1,但这样可能导致结果文件很大。
5、通过[ESEL,S,LAYER]命令选择特定层号的单元。
如果某单元指定层为零厚度,则不被选中。
6、在后处理POST1中使用 LAYER 命令(MainMenu>GeneralPostproc>OptionsforOutp),或在POST26中使用 LAYERP26命令(MainMenu>TimellistPostpro>DefineVariables),来指定要处理哪一层的结果。
用 SHELL 命令(MainMenu>TimellistPostpro>DefineVariables)来定义到底是使用该层的顶面、中面或底面的结果。
在POST1中缺省存贮的是底层底面的结果、顶层顶面的结果和最大失效准则值所在层的结果。
在POST26中缺省存贮的是第一层的结果。
如果单元KEYOPT(8)=1(即保存所有层的结果),则 LAYER 和LAYERP26 命令将存贮指定层的顶面(TOP)和底面(BOT)的结果,而中面(MID)的结果则由其顶面和底面的结果取平均值得到。
对于横向剪切应力,POST1中只能以线性变化的形式显示,而在单元解打印输出数据中的形式则可以是二次变化的。
7、缺省时,POST1将在总体笛卡尔坐标系中显示所有结果。
使用 RSYS 命令(MainMenu>GeneralPostproc>OptionsforOutp)可将结果转换到别的坐标系中。
对于层单元,如果执行了 LAYER 命令,且命令中指定的层号非零,则[RSYS,SOLU]命令可使结果在层坐标系中显示
5.3 复合材料分析实例(GUI方法)
5.3.1 问题描述
如图5-7所示,有一长3米的工字梁,高度为0.3m,上下翼缘的宽度为0.2m。
材料为T300/5208,是20层对称分布叠层板,每层的厚度为0.001m,各层的方向角分别为0、45、90、-45、0、0、45、90、-45和0度,材料特性为:
Ex=181Gpa,Ey=Ez=10.3Gpa,Gxy=7.17Gpa,Gyz=3.78Gpa,υ12=0.016。
沿轴强度:
σx+=1500Mpa,σx-=1500Mpa,σy+=40Mpa,σy-=246Mpa,σx+=40Mpa,σx-=246Mpa,τxy=68Mpa(+表示受拉,-表示受压)。
工字梁一端固定,另一端受集中力分别为:
100N、10000N和100N。
计算工作应力和应变、失效应力和失效层等。
图5-7叠层板工字梁结构和载荷示意图
5.3.2 GUI方式
(一) 定义单元类型、实常数和材料特性
1. 选取菜单元途径Main>Preprocessor>Elementtype>Add/edit/delete,弹出ElementTypes窗口。
2. 单击Add,弹出LibraryofElementTypes窗口,左边选择窗口选择StructuralShell,右边选择窗口选择中选择LinearLayer99,单击OK。
3. 单击ElementTypes窗口中Options,弹出SHELL99ElementTypeOptions窗口,将K8设置为ALLLayer,单击OK。
单击ElementTypes窗口中Close。
4. 选取菜单途径Mainmenu>Preprocessor>ElementType>RealConstants,弹出RealConstants窗口。
单击OK,弹出ElementtypeforRealConstants窗口。
单击OK,弹出RealConstantsSetNumber1,forSHELL99窗口,依次输入NL=20、LSYM=1、LP1=1和LP2=20。
5. 单击OK,弹出RealConstantsSetNumber1,forSHELL99附加信息窗口,所有MAT输入1,所有TK输入0.001,THETA依次输入0、45、90、-45、0、0、45、90、-45和0。
单击OK。
再单击RealConstants窗口中的Close。
6. 选取菜单途径Mainmenu>Preprocessor>MaterialProps>-Constant-Orthotrople,弹出OrthotropicMaterialProperties窗口,单击OK后依资助输入EX=181e9,EY=10.3e9,EZ=10.3e9,PRXY=0.016,单击OK。
(二) 定义失效准则
1. 选取菜单途径Mainmenu>Proprocessor>MaterialProps>DataTables>Define/Activate,弹出Define/ActivateDataTable窗口,设置Lab为ComposfallFALL,MAT为1。
单击OK。
2. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>MaterialProps>DataTables>SetTempTable,弹出SetDataTableTemperature窗口,激活KMOD选项下Editexisting项,将KMOD设置为Crit。
单击OK。
3. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>MaterialProps>DataTables>EditActive弹出DataTableFail窗口,依次输入:
critkey行第3列处输入1,
XtenStrs行第1列输入1.5e9,
XcomStrs行第1列输入-1.5e9
YtenStrs行第1列输入4e7,
YcomStrs行第1列输入-2.46e8
ZtenStrs行第1列输入4e7,
ZcomStrs行第1列输入4e7,
行第1列输入6.8e7。
单击File菜单下的Apply/Quit项。
(三) 定义有限元模型
1. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>-Modeling-Creat>-Areas-Rectangle>ByDimensions,弹出CreateRectanglebyDimensions对话框,在X1和X2处输入0和3,在Y1和Y2处输入0和0.3,单击OK。
2. 选取菜单途径UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPbyIncrements,将工作平面坐标系绕X轴逆时针旋转90度。
3. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>-Modeling-Creat>-Areas-Rectangle>ByDimension,弹出CreateRectanglebyDimensions对话框,在X1和X2输入0和3,在Y1和Y2处输入0.1和-0.1,单击OK。
4. 选取菜单途径UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPbyIncrements,将工作平面坐标系沿工作平面坐标系Z轴移动-0.3。
5. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>-Modeling-Creat>-Areas-Rectangle>ByDimension,弹出CreateRectanglebyDimensions对话框,在X1和X2输入0和3,在Y1和Y2处输入0.1和-0.1,单击OK。
6. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>Operate>Partition>Areas,弹出PartitionAreas拾取对话框,单击PickAll。
7. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>Mesh>-Meshing-SizeCntrls>-Global-Size弹出GlobalElementSizes窗口,在SIZE处输入0.1,单击OK。
8. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Free,弹出MeshAreas拾取对话框,单击PickAll。
9. 选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>>NumberingCtrls>MergeItems,将Label设置为Node,单击OK。
10.选取菜单途径Mainmenu>Prepocessor>>NumberingCtrls>CompressNumber,将Label设置为Node,单击OK。
(四) 添加约束和载荷并求解
1. 选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、X和输入0,单击OK。
2. 选取菜单途径MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>OnNodes,弹出AppleU,ROTonNodes拾取对话框。
单击PickAll,弹出ApplyU,ROTonNodes窗口,将Lab2设置为ALLDOF,单击OK。
3. 选取菜单途径UtilityMenu>Select>Everything。
4. 选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、X和输入3,单击OK。
5. 选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SetectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、Y输入0.3和Reselect,单击OK。
6. 选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、Z输入0和Reselect,单击OK。
7. 选取菜单途径MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Force>Moment>OnNodes,弹出AppleF/M,onNodes拾取对话框。
单击PickAll,弹出ApplyF/MonNodes窗口,将Lab设置为FY,在VALUE处输入-10000,单击OK。
8. 选取菜单途径UtilityMenu>Select>Everything。
9. 选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、X和输入3,单击OK。
10.选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SetectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、Y输入0.3和Reselect,单击OK。
11.选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、Z输入0.1和Reselect,单击OK。
12.选取菜单途径MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Force>Moment>OnNodes,弹出AppleF/M,onNodes拾取对话框。
单击PickAll,弹出ApplyF/MonNodes窗口,将Lab设置为FY,在VALUE处输入-100,单击OK。
13.选取菜单途径UtilityMenu>Select>Everything。
14.选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、X和输入3,单击OK。
15.选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SetectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、Y输入0.3和Reselect,单击OK。
16.选取菜单途径UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities窗口,从上至下依次设置为:
Nodes、ByLocation、Z输入-0.1和Reselect,单击OK。
17.选取菜单途径MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Force>Moment>OnNodes,弹出AppleF/M,onNodes拾取对话框。
单击PickAll,弹出ApplyF/MonNodes窗口,将Lab设置为FY,在VALUE处输入-100,单击OK。
18.选取菜单途径UtilityMenu>Select>Everything。
19.选取菜单途径UtilityMenu>Solution>-Solve-CurrentLS,弹出SolveCurrentLoadStep对话框,同时弹出/STATCommand窗口。
仔细阅读/STATCommand窗口的信息,然后单击Close关闭/STATCommand窗口。
20.单击SolveCurrentLoadStep对话框中的OK,开始求解计算。
21.当求解结束时,弹出“Solutionisdone!
”对话框,关闭之。
(五) 观察结果
1. 选取菜单途径MainMenu>GeneralPostpro>ElementTableDefineTable,弹出DefineTableData窗口。
单击Add,弹出DefineAdditionalElementTableItems窗口,在Lab处输入NX,将Item设置为Bysepuencenum,将Comp设置为SMISC,7。
2. 单击Apply,再次弹出DefineAdditionalElementTableItems窗口,在Lab处输入FC,将Item设置为Bysequencenum,将Comp设置为SMISC,1。
3. 单击Apply,再次弹出DefineAdditionalElementTableItems窗口,在Lab处输入FCMC,将Item设置为Bysequencenum,将Comp设置为SMI
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