整理Ansys复合材料结构分析总结文档格式.docx
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笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟(由于研究对象是厚壁容器,不宜采用壳单元),分析结果还是非常好的,而且I-Deas强大的建模功能,但由于课题要求要进行压力容器的优化分析,而且必须要自己写优化程序,I-Deas的二次开发功能开放性不是很强,所以改为MSC.Patran,Patran提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL(以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容),采用Patran结合Nastran的分析环境,建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型,但最终发现,在得到的最后结果中,复合材料层之间的应力结果始终不合理,而模型是没有问题的(因为在I-Deas中,相同的模型结果是合理的),于是最后转向Ansys,刚开始接触Ansys,真有相见恨晚的感觉,丰富的单元库,开放的二次开发环境(APDL语言),下面就重点写Ansys的内容。
在ANSYS程序中,可以通过各项异性单元(Solid64)来模拟,另外还专门提供了一类层合单元(LayerElements)来模拟层合结构(Shell99,Shell91,Shell181,Solid46和Solid191)的复合材料。
采用ANSYS程序对复合材料结构进行处理的主要问题如下:
(1)选择单元类型
针对不同的结构和输出结果的要求,选用不同的单元类型。
Shell99——线性结构壳单元,用于较小或中等厚度复合材料板或壳结构,一般长度方向和厚度方向的比值大于10;
Shell91——非线性结构壳单元,这种单元支持材料的塑性和大应变行为;
Shell181——有限应变壳单元,这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料的非线性行为;
Solid46——三维实体结构单元,用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构;
Solid191——三维实体结构单元,高精度单元,不支持材料的非线性和大变形。
(2)
定义层属性配置
主要是定义单层的层属性,对于纤维增强复合材料,在这里可以定义单层厚度、纤维方向等。
(3)
定义失效准则
支持多种失效准则,不过我还是没有用他,而是自己写了通过应力结果采用二次蔡胡准则程序来判断的。
(4)
其他的一些建模技巧和后处理指导
在我的分析工作中,主要采用了三维实体结构单元。
关于Solid46单元
(1)
Solid46是用于模拟复合材料厚壳或实体的8节点三维层合结构单元,单元节点有x,y和z方向三个结构自由度,单元允许最多250层不同的材料;
这种单元的定义包括:
8个节点、各层厚度、各层材料方向角和正交各项异性材料属性,其中每层可以为面内两个方向双线性的不等厚层;
在材料定义时,只需定义材料主方向和材料坐标系(单元坐标系)一致的材料参数,不一致的复合材料层通过定义材料方向角(该层材料主方向和材料坐标系所成的角度)由程序自动转换;
通过选择不同的层直接在单元坐标下获取单元应力,包括三个方向的应力和面内剪切应力,而不需要通过应力应变的转换来获取;
论坛问答:
Q:
ANSYS如何处理失效后的材料退化呢?
A:
ANSYS没有直接提供材料失效后的退化,但可以自己写程序让ANSYS执
行。
ANSYS可以用失效准则判断材料是否失效,之后刚度降低可以通过实验
测得。
再将实验数据输入到ANSYS中,对失效的单元重新进行分析。
共同讨论!
Ansys确实没有直接提供材料失效后的退化的处理方法。
我们在进行复合材料结构分析时,通常采用单层模量退化的估算方法,这种估算方法就是将带有裂纹层的横向、剪切模量与泊松系数全部用一组经过DF因子退化的新值替代,为了考虑压缩强度的下降,对单向复合材料的压缩强度也要DF因子退化(详细信息可以参考蔡为仑的《复合材料设计》一书),这样,我们就可以再结合Ansys的APDL来处理了。
建模篇
复合材料是一种各向异性材料,对于纤维增强复合材料又是一种正交各向异性材料,因此,在进行复合材料结构建模的时候要特别注意的一个重要的问题,就是材料的方向性。
下面,就我个人的分析经验,对复合材料结构的建模作一个总结。
1.
结构坐标系、单元坐标系、材料坐标系和结果坐标系
建立复合材料结构模型,存在一个结构坐标系,用于确定几何元素的位置,这个坐标可以是笛卡尔坐标系、柱坐标系或者是球坐标系;
单元坐标系是每个单元的局部坐标系,一般用来描述整个单元;
材料坐标系是确定材料属性方向的坐标系,一般没有专门建立的材料坐标系,而是参考其他坐标系,如整体结构坐标系,或单元坐标系,在Ansys程序中,材料坐标是由单元坐标唯一确定的,要确定材料坐标,只要确定单元坐标就行了;
结果坐标系是在进行结果输出时所使用的坐标系,也是一般参考其他坐标系。
在Ansys程序中,关于坐标系有人做过专门的总结。
见后。
2.
用于复合材料结构分析的单元
用于复合材料分析的单元主要有两类,一类是层合单元,如Shell99,Shell91,Shell181,Solid46和Solid191;
另一类是各向异性单元,如Solid64;
这些材料都有不同的处理方法,层合单元,在一个单元内可以包含多层信息,包括各层的材料、厚度和方向;
各项各向异性单元,在一个单元内,只能包含一种材料信息,而且所得到的计算结果还要进行一些处理,因此有一定的局限性。
3.
单元坐标的一致性问题
在进行复合材料结构建模的时候,有些时候结构几何比较复杂,很难用统一的坐标来确定单元坐标系,即使对一些规则的几何(如圆桶),在用旋转方法生成几何时,不同的面法向也会带来单元坐标的不一致,这就使得材料输入的时候存在问题并使计算结果错误,因此,在几何建模时要特别注意这一问题,笔者也没有得到一些复杂几何进行单元划分时保持单元一致的合适方法。
4.一个实例
5.下面的命令流显示了不同的几何生成方法会产生不同的单元坐标方向:
/PREP7
!
******CreateMaterial*******
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,2.068e8
MPDATA,PRXY,1,,0.29
MPDATA,DENS,1,,7.82e-6
*********CreateElementType**********
ET,1,SOLID95
KEYOPT,1,1,1
KEYOPT,1,5,0
KEYOPT,1,6,0
KEYOPT,1,11,0
***************************
CSYS,1
HS=80
**createtwokeypointsalongaxial
K,101,0,0,0,
K,102,0,0,400,
**createkeypoints
K,1,61,0,0,
K,2,HS,0,0,
K,5,100,0,0,
K,11,61,0,178,
K,12,HS,0,178,
K,15,HS+10,0,178,
K,111,61,0,178,
K,112,HS,0,178,
K,115,HS+10,0,178,
K,21,61,0,2450,
K,22,HS-4,0,2450,
K,25,HS+6,0,2450,
**createareasbykeypoints
FLST,2,4,3
FITEM,2,21
FITEM,2,111
FITEM,2,112
FITEM,2,22
A,P51X
FITEM,2,115
FITEM,2,25
FLST,2,2,5,ORDE,2
FITEM,2,1
FITEM,2,-2
FLST,8,2,3
FITEM,8,101
FITEM,8,102
VROTAT,P51X,,,,,,P51X,,90,1,
TYPE,
1
MAT,
1
REAL,
ESYS,
0
SECNUM,
MSHAPE,0,3D
MSHKEY,1
FLST,5,2,6,ORDE,2
FITEM,5,1
FITEM,5,-2
CM,_Y,VOLU
VSEL,,,,P51X
CM,_Y1,VOLU
CHKMSH,'
VOLU'
CMSEL,S,_Y
VMESH,_Y1
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
CMDELE,_Y2
运行上述命令流,查看一下单元坐标,再把命令流中下列部分
改为:
再看一下单元坐标。
ANSYS坐标系总结
工作平面(WorkingPlane)
工作平面是创建几何模型的参考(X,Y)平面,在前处理器中用来建模(几何和网格)
总体坐标系
在每开始进行一个新的ANSYS分析时,已经有三个坐标系预先定义了。
它们位于模型的总体原点。
三种类型为:
CS,0:
总体笛卡尔坐标系
CS,1:
总体柱坐标系
CS,2:
总体球坐标系
数据库中节点坐标总是以总体笛卡尔坐标系,无论节点是在什么坐标系中创建的。
局部坐标系
局部坐标系是用户定义的坐标系。
局部坐标系可以通过菜单路径Workplane>
LocalCS>
CreateLC来创建。
激活的坐标系是分析中特定时间的参考系。
缺省为总体笛卡尔坐标系。
当创建了一个新的坐标系时,新坐标系变为激活坐标系。
这表明后面的激活坐标系的命令。
菜单中激活坐标系的路径Workplane>
ChangeactiveCSto>
。
节点坐标系
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