Ansys复合材料结构分析操作指导书副本.docx
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Ansys复合材料结构分析操作指导书副本
第四章复合材料计算实例
在有了前几章知识做铺垫,这一章我们来学习两个复合材料分析的例子,加深复合材料分析的理解,也希望读者能从中收获一些经验。
在这里将第二章的流程图再次拿出来,进一步熟悉ANSYS有限元分析的基本过程。
图7Ansys结构分析流程图
4.1层合板受压分析
4.1.1问题描述
层合板指的是仅仅由FRP层叠而成的复合板材,中间不包含芯材,板材的性能不仅与纤维的弹性模量、剪切模量有关,还与纤维的铺层方向有着密切关系。
本例中的板材有4层厚度为0.025m的单元板复合而成,单元板的铺层方向为0°、90°、90°、0°,见图13所示。
单元板的材料属性见表4.1。
表4.1单元板材料属性
EX/MP
EY/MP
EZ/MP
GXY/MP
GYZ/MP
GXZ/MP
PRXY
PRYZ
PRXZ
12.5
300
300
50
20
50
0.25
0.25
0.01
图13复合材料板
4.1.2求解步骤
根据问题描述,所要分析的问题为壳体结构的复合材料板,可以采用SOLID46单元建立3D有限元模型进行分析。
结合图7的一般步骤进行分析。
步骤一:
选取单元类型,设置单元实常数
、在开始一个新分析前,需要指定文件保存路径和文件名。
文件保存路径GUI:
【UtilityMenu】|【File】|【ChangeDirectory】见图14
指定新的文件名GUI:
【UtilityMenu】|【File】|【ChangeJobname】见图15所示
图14指定文件保存路径
图15修改文件名
、选取单元类型
1)选取单元类型的GUI操作:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【ElementType】|【Add/Edit/Delete】,执行后弹出ElementTypes对话框。
2)在ElementTypes对话框点击Add定义新的单元类型,弹出“LibraryofElementTypes”对话框,见图16所示,按图中所示选择,单元类型参考号输入框中输入数字1。
图16单元类型对话框
3)点击“OK”,回到“ElementTypes”对话框见图17所示,从图中可以看到,定义的单元类型参考号为1,单元类型对应为SOLID46。
图17已经定义好的单元类型
4)接下来,还要对单元类型做一些选项设置,点击“Options”,弹出“SOLID46elementtypeoptions”对话框,在“Formofinput”下拉选择列表中有三个选项,分别是各材料层厚度相同、变厚度材料层、自定义宏观材料本构矩阵,选择不同的选项,会导致后面需要输入的材料参数不同。
由于本例各层厚度相同,选择“Constthklayer”项,点击“OK”,弹出“MoreSOLID46elementtypeoptions”,在K8选项中选择“Alllayers”,然后单击OK,随后单击ElementTypes对话框上的Close,关闭该对话框,完成单元类型选择,见图18。
图18单元类型关键字设置
、设置单元实常数
单元实常数设置GUI路径为【MainMenu】|【Preprocessor】|【RealConstants】|【Add/Edit/Delete】,执行后出现RealConstants对话框,单击Add按钮,出现ElementTypeforRealConstants对话框,单击OK,出现RealConstantSetNumber1,forSOLID46,如图19左图所示。
在NL框中输入4,表示一共有4层,在LSYM框中输入1,表示对称铺层。
图19单元实常数设置
按图19设置完后点击OK,出现RealConstantSetNumber1,forSOLID46对话框,见图19右图所示,按图中所示进行设置,点击OK关闭对话框。
最后单击RealConstants对话框上的Close按钮完成实常数设置。
步骤二:
定义材料属性
与各项同性材料一样,复合材料在定义材料性质时,需要定义弹性模量、剪切模量和泊松比,所不同的是复合材料需要定义各个方向上的材料性质。
定义材料属性的GUI路径为:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【MaterialProps】|【MaterialModels】
执行完后弹出DefineMaterialModelBehavior对话框,见图20所示,按图中所示选择材料。
图20材料属性列表框
选择完后弹出LinearOrthotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框。
见图21所示。
按图示输入材料属性值。
在这里做一点说明,ANSYS软件允许用户使用任何一套相匹配的单位体系,比如:
长度、力、时间、温度分别采用m、N、s、℃作为单位,或采用英制单位体系。
单击OK关闭对话框,在DefineMaterialModelBehavior对话框上选择【Material】|【Exit】,结束材料属性定义。
图21材料属性设置对话框
步骤三:
创建几何模型、划分网格
、建立几何模型
在这个例题中,选择的单元类型是SOLID46,需要建立实体模型,建模的GUI操作:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Create】|【Volumes】|【Block】|【ByDimension】,执行完后弹出CreateBlockbyDimensions对话框,相应的输入见图22所示。
点击OK,结果如图23所示。
图22创建几何模型对话框
图23创建的几何模型
、划分网格
由第三章中的介绍知道,在划分网格前还需要对网格密度进行设置。
这里采用手动的方法进行设置。
手动设置时需要先选中欲控制网格密度的边线,指定其上的节点分布。
在长宽方向的边线上放置40个节点,在厚度方向上放置4个节点,具体操作如下:
1)长宽方向上放置节点
执行【UtilityMenu】|【Select】|【Entities】命令,出现SelectEntities对话框,见图24a、b所示,按图所示进行设置,图24a中点击Apply按钮,图24b中点击OK。
(a)(b)
图24选择Z坐标为0及0.1的所有边线
执行【MainMenu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【SizeCntrls】|【ManualSize】|【Lines】|【AllLines】命令,弹出ElementSizesonAllSelectedLines对话框,见图25所示。
在NDIV输入框中输入40,对选中的边线等分为40份。
图25手动控制节点分布
2)厚度方向放置节点
执行【UtilityMenu】|【Select】|【Entities】命令,出现SelectEntities对话框,见图26所示,按图所示进行设置,点击Invert按钮,然后点击Cancel完成对剩余边线的选择。
图26选择剩余边线
执行【MainMenu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【SizeCntrls】|【ManualSize】|【Lines】|【AllLines】命令,弹出ElementSizesonAllSelectedLines对话框,见图25所示。
在NDIV输入框中输入4,对选中的边线等分为4份。
3)划分网格
执行【UtilityMenu】|【Select】|【Everything】命令,选择所有实体,然后再执行【MainMenu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【MeshTool】命令,出现MeshTool对话框,见图26所示,按图中设置,
图26网格划分设置
设置完后点击Mesh,在绘图区用鼠标单击模型,划分的网格效果见图27所示。
图27网格划分效果展示
步骤四:
设定边界条件、加载
、设置分析类型
执行【MainMenu】|【Solution】|【AnalysisType】|【NewAnalysis】,出现NewAnalysis对话框,选择分析类型为Static,单击OK结束分析类型设置。
、设置边界约束和加载
由于边界条件和载荷需要加载到单元节点上,因而需要先选中目标节点。
在本例中,由于实体模型比较简单,给大家介绍一种快速选择边界,然后施加边界约束和表面压力的方法。
执行【MainMenu】|【Solution】|【DefineLoads】|【Apply】|【Structural】|【Displacement】|【Onlines】,弹出ApplyU,ROTonLines对话框,见图28所示。
执行后鼠标变成竖直向上的一个箭头,在图形显示框中用鼠标单击选择坐标为(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1)的四条边线,单击OK,弹出边界约束设置对话框,见图29所示,按图所示进行设置,点击OK,壳体四个角点的约束效果见图30所示。
图28约束施加边界选择对话框
图29边界约束设置对话框
图30角点四条边线的约束效果
下面对表面施加压力荷载,需要先选择节点,然后再施加载荷,执行【UtilityMenu】|【Select】|【Entities】,弹出图31所示的SelectEntities对话框,按图中所示进行设置,设置完后点击OK,就选择了所有z坐标为0.1的节点。
执行【MainMenu】|【Solution】|【DefineLoads】|【Apply】|【Structural】|【Pressure】|【OnNodes】,出现ApplyPRESonNodes对话框,点击PickAll,弹出如图32所示的对话框,在VALUE输入框中输入6000,由于采用的单位是国际标准体系单位,所以这里的压强单位是Pa。
施加压力后的效果见图33所示,红色的方格线表示施加的是表面载荷。
注意图中右上角的文字提示,显示施加的表面载荷是6000。
图31选择需要施加压力的节点
图32施加表面压力对话框
图33表面压力施加效果图
步骤五:
求解
这一步比较简单,首先执行【UtilityMenu】|【Select】|【Everything】命令,选择所有的实体,注意,这一步操作不可以省略,否则将有部分单元和实体不参与计算;然后执行【MainMenu】|【Solution】|【SolveCurrentLS】,出现SolveCurrentLoadStep对话框,点击OK按钮,ANSYS开始求解计算。
计算结束后会出现Note提示框,见图34所示,单击Close关闭该对话框。
图34求解结束提示框
步骤六:
查看计算结果
在查看计算结果之前,需要先读入结果,执行【MainMenu】|【GeneralPostpro】|【ReadResults】|【LastSet】,读取最终的求解结果;
、位移查看:
在读入结果后,执行【MainMenu】|【GeneralPostpro】|【PlotResults】|【ContourPlot】|【NodalSolu】,出现ContourNodalSolutionData对话框,在Itemtobecontoured列表框中选择【NodalSolution】|【DOFSolution】|【Displacementvectorsum】,单击OK,图形显示窗口如图35所示,展示的是合位移等值线云图。
图35合位移等值线云图
、应力查看:
执行【MainMenu】|【GeneralPostpro】|【PlotResults】|【ContourPlot】|【NodalSolu】,出现ContourNodalSolutionData对话框,在Itemtobecontoured列表框中选择【NodalSolution】|【Stress】|【vonMisesstress】,单击OK,图形显示窗口如图36所示,展示的是等效应力等值线云图。
图36等效应力等值线云图
、当然,在ANSYS中还可以用文件形式将计算结果列出来,从而查看每个节点的具体数据,执行【MainMenu】|【GeneralPostpro】|【ListResults】|【NodalSolu】,出现ListNodalSolution对话框,在Itemtobelisted列表框中选择【NodalSolution】|【DOFSolution】|【Displacementvectorsum】,单击OK,ANSYS窗口将显示所有节点的位移数据,如图37所示。
图37列表显示节点位移信息
此外,用户还能够查看指定节点的数据,操作方法是先选中这些节点(可以在图形显示窗口中用鼠标选择,也可以用坐标的方法选择),然后采用上面提到的方法列表显示节点数据即可。
附录A:
Ansys中如何使用IGES格式文件
IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)是不同CAD/CAE软件系统之间数据交换的一种规范,Ansys也支持读入和输出这一类型的数据文件。
Ansys读入该文件类型有两种模式(见附图1红线框内):
(1)光滑模式(SMOOTH),对应选项”NoDefeaturing”,这种模式不会对原模型做任何修改,而且Ansys不会创建体积(只创建点、线、面元素),导入的模型一般需要手动进行修复,需要用到的几何修复工具位于前处理器(Preprocessor)模块中。
(2)小平面模式(FACETED),对应选项“DefeatureModel”,在这种模式下Ansys会自动执行点、线、面的合并操作,并且自动创建用于网格划分的体积,该模式主要用于对模型进行简化。
如果在导入模型过程中出现问题,Ansys会弹出相应的几何修改工具。
注:
对于大尺寸或复杂的模型,不推荐采用FACETED模式。
附图1Ansys导入IGES文件选项设置
下面将详细讲解两种模式使用过程需要注意的问题。
1SMOOTH模式
GUI路径:
【UtilityMenu】|【File】|【Import】|【IGES】,选择“Nodefeaturing”。
建议导入IGES格式数据时首先尝试采用SMOOTH模式,如果利用几何修复工具仍无法修复导入模型上的缺陷,再考虑采用FACETED模式。
1.1CAD软件建模注意事项
✧如果生成的模型是轴对称的,注意对称轴选择Y轴。
✧避免创建闭合曲线(即曲线的起点和终点重合)和闭合曲面(比如曲面起始和终止边重合)。
因为Ansys中曲线应该至少包含两个关键点,所以无法存储闭合曲线和闭合曲面,如果导入的模型中包含闭合曲线或闭合曲面,Ansys将尝试将其分割成多个几何特征。
✧由于IGES发展到现在已经有多个版本,从CAD软件输出IGES文件时,尽量选择ANSYS软件能支持的IGES版本。
1.2CAD软件输出IGES文件注意事项
✧输出时只选择Ansys分析需要用到的那一部分模型,Ansys有限元分析不需要像CAD软件那样关注每一个细节。
✧对于通过修剪操作生成的曲面,在将其转换为IGES数据格式时,数据中应该包含XYZ坐标数据和UV坐标数据。
✧如果要分析的模型非常大,应该将模型分成多块分别输出,每个IGES数据文件只包含模型的一部分。
在Ansys中将多个文件读入后采用前处理器中的合并操作进行重新组合。
(合并操作GUI路径:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【NumberingCtrls】|【MergeItems】)。
✧如果IGES文件的数据是以ASCII码存储的,确保文件中每行都是80个记录。
1.3Ansys导入IGES文件注意事项
✧注意导入文件时ANSYS程序的各种提示信息。
警告信息包括诸如IGES转换失败的部件以及转换成功的部件在ANSYS中对应的部件号。
✧如果存在IGES部件没有转换,可以采用模型修补命令进行重构。
SMOOTH模式能够读入任何不超过20阶的有理B样条曲线和有理B样条曲面,如果阶数超过20阶ANSYS将提示出错信息。
1.4ANSYS导出IGES文件注意事项
✧输出IGES数据前需要先设定系统单位,单位的设置只能通过命令的形式设置:
/UNITS,比如要设定国际单位体系,只要在命令输入框中输入“/UNITS,SI”,回车确认即可。
✧输出数据前,需要选择几何实体的所有下属元素,GUI操作:
【UtilityMenu】|【Select】|【EverythingBelow】。
✧如果想输出模型的部分元素,则只需要选中那些需要输出的模型及其下属元素(包括关键点和边线),然后去掉选中的更高级别的特征元素即可。
2FACETED模式
2.1FACETED模式使用的9个步骤
、采用SMOOTH模式导入IGES文件。
.
、通过创建基本几何元素(比如创建关键点,线等)对导入的几何体进行改善和修复,适当时候结合布尔操作进行修改,记住,不要急着划分网格。
、将导入的模型和创建的模型保存到数据库文件,这一步只要点击保存图标即可完成。
、将模型保存到IGES格式的文件。
、在命令输入框中输入“/CLEAR”命令,清空当前软件中的数据(也可以退出然后重启软件)。
、执行【UtilityMenu】|【File】|【Import】|【IGES】,选择“DefeatureModel”。
、选择第4步保存的模型文件,将其以FACETED模式导入。
、在FACETED模式下,对模型进行简化处理,去掉可能导致划分网格失败的几何特征。
、对模型进行网格划分,如果在划分网格中碰到问题,则需要对模型做进一步的简化处理。
注意:
不是所有的几何问题都可以在FACETED模式中得到解决,必要的时候需要在创建模型的CAD软件中做相应的修改。
2.2FACETED模式简化模型
2.2.1目测检查模型的几何缺陷
模型的几何缺陷(参见附图2)主要包括:
很短的线条(Smallline)、不相关的几何特征、面积很小的面域(Smallarea)、在一个方向上尺寸很不协调的面域(Thinarea)(比如狭长条表面)等,这些几何缺陷很容易导致网格划分不理想甚至失败(见附图2)。
需要借助几何简化工具消除这些缺陷。
附图2存在几何缺陷的模型及其网格划分结果
从附图2的网格划分来看,单元间网格尺寸急剧变化,这在有限元分析中是不被允许的,需要对模型进行修改,重新划分网格。
2.2.2查找定位几何缺陷
✧查找定位短曲线:
GUI操作:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Simplify】|【Detect/Display】|【SmallLines】
✧查找定位小环线
GUI操作:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Simplify】|【Detect/Display】|【SmallLoops】
✧查找定位小面域
GUI操作:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Simplify】|【Detect/Display】|【SmallAreas】
在找到这些几何缺陷后可以采用修补工具进行修改。
2.2.3短曲线的修补
对于短曲线的修补有两种方法可用,一种是合并操作(mergelines),将短曲线与长曲线进行合并,合并后得到一条曲线(注意,合并节点处不能有第三条曲线与之相接,因为合并后节点将不复存在);另一种是降阶操作(collapselines),将曲线收缩到该曲线两个端点中的一个,这会对原有模型有所改变。
附图3短曲线的修补
2.2.4小曲面的修补
与短曲线的修补类似,小曲面的修补也有两种方法,一种是合并曲面(mergeareas),将小曲面与邻近的大曲面进行合并,在合并的过程中需要注意保持曲面的规则性(比如小曲面合并前为四变形,合并后的曲面仍然是四变形),这样可以避免曲面参数化失败(见附图4)。
附图4正确的曲面合并(上图)于不错误的曲面合并(下图)
另外一种方法是曲面降阶(collapseareas),即将曲面向其边界收缩。
操作时,先选择要降阶的曲面,然后选择曲面要简化的目标边线。
一般需要先进行曲线简化操作,然后再做曲面简化,简化的边线一般选择曲面较长的一条边作为目标边线,简化实例见附图5所示。
附图5曲面降阶实例
2.2.5空腔和凸台的简化
模型上的空腔(包括凹槽和通孔)和凸台特征都可能影响网格划分效果甚至使得网格划分失败,因而有必要对其进行简化处理。
在清除这些特征时,需要选中组成特征的所有曲面,选择曲面的顺序很关键,选择过程中应该先选择特征的组成面,最后选择空腔或凸台的附着面,如果顺序不对的话会扭曲模型的几何形状,这是我们不愿看到的。
清除空腔和凸台的GUI操作如下:
清除空腔:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Simplify】|【Toolkit】|【FillCavity】
清除凸台:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Simplify】|【Toolkit】|【RemoveBoss】,参见附图6。
附图6清除凸台
2.3FACETED模式下模型的修复
上面讲的都是有关如何简化模型的方法,实际导入IGES模型还会碰到模型的拓扑结构问题(比如模型上有缝隙gaps)或者模型不完整(比如曲面边线不封闭)等。
这些拓扑结构缺陷或几何不完整都需要在FACETED模式下进行修复。
2.3.1修补模型上的缝隙
缝隙的修补归属拓扑结构修补,拓扑结构修补工具位于【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【TopoRepair】下,利用这些工具可以“缝合”模型上的小缝隙。
在生成封闭体积前必须将边线和曲线段缝合到邻近的曲面上。
当拓扑修复工具打开时,其他任何几何工具都处于不可选用状态。
模型上存在的很多问题都可以通过拓扑修复工具进行修复。
2.3.1.1缝隙绘图显示和列表显示的相关设置
要对于模型上存在的缝隙进行修复,需要首先找到这些缝隙,为便于观察缝隙的位置,需要对缝隙进行突出显示。
显示设置GUI路径:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【TopoRepair】|【Preferences】,见附图7所示。
附图7拓扑结构修复设置
有两项设置项:
●误差限设置(TOLER):
设置在多大间距下认为存在间隙,当两者间距超过该设定值时,认为存在缝隙。
●边线列表和绘图显示设置(OESELE):
设置缝隙以何种方式显示。
2.3.1.2查找并显示缝隙
对于模型上的缝隙,可以通过列表显示和在绘图窗口显示两种方式显示。
●列表显示功能
该项功能的GUI设置为:
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【TopoRepair】|【LstModelGaps】|【Openedges】
如果想要列表显示所有
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