ansys复合材料分析资料

做了一年多的複合材料壓力容器的分析工作，也積累了一些分析經驗，到了總結的時候了，回想起來，總最初採用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最後選定Ansys爲自己的分析工具，確實有一些東西值得和大家分享，與從事複合材料結構分析的朋友門共同探討。

（一）概述篇

複合材料是由一種以上具有不同性質的材料構成，其主要優點是具有優異的材料性能，在工程應用中典型的一種複合材料爲纖維增強複合材料，這種材料的特性表現爲正交各向異性，對於這種材料的類比，很多的程式都提供了一些處理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相應的處理方法。筆者最初是用I-Deas下建立各項異性材料結合三維實體結構單元來類比（由於研究物件是厚壁容器，不宜採用殼單元），分析結果還是非常好的，而且I-Deas強大的建模功能，但由於課題要求要進行壓力容器的優化分析，而且必須要自己寫優化程式，I-Deas的二次開發功能開放性不是很強，所以改爲MSC.Patran，Patran提供了一種非常好的二次開發編程語言PCL（以後在MSC的版中專門給大家貼出這部分內容），採用Patran結合Nastran的分析環境，建立了基於正交各項異性和各項異性兩種分析模型，但最終發現，在得到的最後結果中，複合材料層之間的應力結果始終不合理，而模型是沒有問題的（因爲在I-Deas中，相同的模型結果是合理的），於是最後轉向Ansys，剛開始接觸Ansys，真有相見恨晚的感覺，豐富的單元庫，開放的二次開發環境（APDL語言），下面就重點寫Ansys的內容。

在ANSYS程式中，可以通過各項異性單元（Solid 64）來類比，另外還專門提供了一類層合單元（Layer Elements）來類比層合結構（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的複合材料。

採用ANSYS程式對複合材料結構進行處理的主要問題如下：

（1）選擇單元類型

針對不同的結構和輸出結果的要求，選用不同的單元類型。

Shell 99 ——線性結構殼單元，用於較小或中等厚度複合材料板或殼結構，一般長度方向和厚度方向的比值大於10；

Shell 91 ——非線性結構殼單元，這種單元支援材料的塑性和大應變行爲；

Shell 181——有限應變殼單元，這種單元支援幾乎所有的包括大應變在內的材料的非線性行爲；

Solid 46 ——三維實體結構單元，用於厚度較大的複合材料層合殼或實體結構；

Solid 191——三維實體結構單元，高精度單元，不支援材料的非線性和大變形。

（2）定義層屬性配置

主要是定義單層的層屬性，對於纖維增強複合材料，在這裏可以定義單層厚度、纖維方向等。

（3）定義失效準則

支援多種失效準則，不過我還是沒有用他，而是自己寫了通過應力結果採用二次蔡胡準則程式來判斷的。

（4）其他的一些建模技巧和後處理指導

在我的分析工作中，主要採用了三維實體結構單元。

關於Solid 46單元

（1）Solid 46是用於類比複合材料厚殼或實體的8節點三維層合結構單元，單元節點有x,y和z方向三個結構自由度，單元允許最多250層不同的材料；

（2）這種單元的定義包括：8個節點、各層厚度、各層材料方向角和正交各項異性材料屬性，其中每層可以爲面內兩個方向雙線性的不等厚層；（3）在材料定義時，只需定義材料主方向和材料坐標系（單元坐標系）一致的材料參數，不一致的複合材料層通過定義材料方向角（該層材料主方向和材料坐標系所成的角度）由程式自動轉換；

（4）通過選擇不同的層直接在單元座標下獲取單元應力，包括三個方向的應力和麵內剪切應力，而不需要通過應力應變的轉換來獲取；

複合材料是一種各向異性材料，對於纖維增強複合材料又是一種正交各向異性材料，因此，在進行複合材料結構建模的時候要特別注意的一個重要的問題，就是材料的方向性。下面，就我個人的分析經驗，對複合材料結構的建模作一個總結。

1．結構坐標系、單元坐標系、材料坐標系和結果坐標系

建立複合材料結構模型，存在一個結構坐標系，用於確定幾何元素的位置，這個座標可以是笛卡爾坐標系、柱坐標系或者是球坐標系；單元坐標系是每個單元的局部坐標系，一般用來描述整個單元；材料坐標系是確定材料屬性方向的坐標系，一般沒有專門建立的材料坐標系，而是參考其他坐標系，如整體結構坐標系，或單元坐標系，在Ansys程式中，材料座標是由單元座標唯一確定的，要確定材料座標，只要確定單元座標就行了；結果坐標系是在進行結果輸出時所使用的坐標系，也是一般參考其他坐標系。在Ansys程式中，關於坐標系有人做過專門的總結。見附件。2．用於複合材料結構分析的單元

用於複合材料分析的單元主要有兩類，一類是層合單元，如Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191；另一類是各向異性單元，如Solid64；這些材料都有不同的處理方法，層合單元，在一個單元內可以包含多層資訊，包括各層的材料、厚度和方向；各項各向異性單元，在一個單元內，只能包含一種材料資訊，而且所得到的計算結果還要進行一些處理，因此有一定的局限性。

3．單元座標的一致性問題

在進行複合材料結構建模的時候，有些時候結構幾何比較複雜，很難用統一的座標來確定單元坐標系，即使對一些規則的幾何（如圓桶），在用旋轉方法生成幾何時，不同的面法向也會帶來單元座標的不一致，這就使得材料輸入的時候存在問題並使計算結果錯誤，因此，在幾何建模時要特別注意這一問題，筆者也沒有得到一些複雜幾何進行單元劃分時保持單元一致的合適方法。

4．一個實例

下面的命令流顯示了不同的幾何生成方法會産生不同的單元座標方向：

/PREP7

!******Create Material******* MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,2.068e8

MPDATA,PRXY,1,,0.29 MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,DENS,1,,7.82e-6

!*********Create Element Type********** ET,1,SOLID95

KEYOPT,1,1,1

KEYOPT,1,5,0

KEYOPT,1,6,0

KEYOPT,1,11,0

!***************************

CSYS,1

HS=80

!**create two keypoints along axial K,101,0,0,0,

K,102,0,0,400,

!**create keypoints

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,

!***************************

!**create areas by keypoints FLST,2,4,3

FITEM,2,21

FITEM,2,111

FITEM,2,112

FITEM,2,22

A,P51X

FLST,2,4,3

FITEM,2,22

FITEM,2,112

FITEM,2,115

FITEM,2,25

A,P51X

!***************************

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

運行上述命令流，查看一下單元座標，再把命令流中下列部分FLST,2,4,3

FITEM,2,21

FITEM,2,111

FITEM,2,112

FITEM,2,22

A,P51X

改爲：

FLST,2,4,3

FITEM,2,22

FITEM,2,21

FITEM,2,111

FITEM,2,112

A,P51X

再看一下單元座標。

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。它們位於模型的總體原點。三種類型爲:

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

資料庫中節點座標總是以總體笛卡爾坐標系，無論節點是在什麽坐標系中創建的。

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功能表路徑Workplane>Local CS>Create LC來創建。

啟動的坐標系是分析中特定時間的參考系。缺省爲總體笛卡爾坐標系。當創建了一個新的坐標系時，新坐標系變爲啟動坐標系。這表明後面的啟動坐標系的命令。功能表中啟動坐標系的路徑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並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。時間歷程後處理器/POST26 中的結果資料是在節點坐標系下表達的。而通用後處理器/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並分配一個坐標系號碼(例如CS,11)。這個局部坐標系現在成爲啟動的坐標系。然後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啟動坐標系的方向。未選擇節點保持不變。節點坐標系的顯示通過功能表路徑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座標下。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總是定義它爲一個笛卡爾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，複合材料的鋪層方向）。對後處理也是很有用的，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通用後處理器中(位移, 應力，支座反力)在結果坐標系中報告，缺省平行於總體笛卡爾坐標系。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。這可以通過功能表路徑Post1>Options for output實現。/POST26時間歷程後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座標非常有用(例如, 徑向，周向座標)。建議不要啟動這個坐標系進行顯示。螢幕上的坐標系是笛卡爾坐標系。顯示坐標系爲柱坐標系，圓弧將顯示爲直線。這可能引起混亂。因此在以非笛卡爾坐標系列表節點座標之後將顯示坐標系恢復到總體笛卡爾坐標系。

下面就我對碳纖維增強複合材料壓力容器分析過程中所做的工作，從複合材料材料參數轉化、複合材料強度準則、結構剛強度分析幾方面寫些我的心得，與大家共同探討。

1．複合材料材料參數的轉化

單向纖維增強複合材料（也稱單向板）是指纖維按照同一方向平行排列的複合材料，是構成層合板和殼的基本元素，可認爲是一種正交各向異性材料，也是一種橫觀各向同性材料（存在一個各向同性面），在進行有限元計算時，必須知道複合材料的彈性特性參數，並由彈性特性參數來計算正交各向異性材料的9個參數（在ANSYS程式中定義材料時所需3個彈性模量、3個泊松係數和3個剪切模量），單向複合材料特性的計算有許多種方法，主要的方法有Halpin-Tai的彈性力學方法，這種方法根據彈性理論將複雜的纖維與樹脂間的關係用一組方程來表示，通過求解方程組，解得彈性參數，我們使用的9個彈性參數的計算是通過單向複合材料的剛度矩陣轉化得到，下面是用APDL語言編寫的材料轉化程式。

MAT_PAR_COMP

!*****************************************************************

!*this macro is used to calculate material parameters of composite

!*****************************************************************

E1=1.81E8

E2=1.03E7

V21=0.28

V12=E2*V21/E1

V23=0.5

V32=0.5

G12=7.17E6

RM=COS(ARG1)

RN=SIN(ARG1)

RM2=RM*RM

RM4=RM2*RM2

RN2=RN*RN

RN4=RN2*RN2

RMN=RM*RN

RMN2=RMN*RMN

!* caculate stiffness matrice of unidirectional composite material *

VV=(1.0+V23)*(1.0-V23-2.0*V21*V12)

VV=1.0/VV

Q11=(1.0-V23*V32)*VV*E1

Q22=(1.0-V21*V12)*VV*E2

Q33=Q22

Q12=V21*(1.0+V23)*VV*E2

Q13=Q12

Q23=(V23+V21*V12)*VV*E2

Q44=(1.0-V23-2.0*V21*V12)*VV*E2*0.5

Q55=G12

Q66=Q55

!* calculate equivalent stiffness of composite material *

HQ11=Q11*RM4+2.0*(Q12+2.0*Q66)*RMN2+Q22*RN4

HQ12=(Q11+Q22-4.0*Q66)*RMN2+Q12*(RM4+RN4)

HQ13=Q13*RM2+Q23*RN2

HQ23=Q13*RN2+Q23*RM2

HQ16=-RMN*RN2*Q22+RM2*RMN*Q11-RMN*(RM2-RN2)*(Q12+2.0* Q66)

HQ22=Q11*RN4+2.0*(Q12+2.0*Q66)*RMN2+Q22*RM4

HQ33=RN2*Q13+RM2*Q23

HQ33=Q33

HQ26=-RMN*RM2*Q22+RMN*RN2*Q11+RMN*(RM2-RN2)*(Q12+2.0* Q66)

HQ36=(Q13-Q23)*RMN

HQ44=Q44*RM2+Q55*RN2

HQ45=(Q55-Q44)*RMN

HQ55=Q55*RM2+Q44*RN2

HQ66=(Q11+Q22-2*Q12)*RMN2+Q66*(RM2-RN2)*(RM2-RN2)

QQ11=HQ11

QQ12=HQ12

QQ22=HQ22

QQ13=HQ13

QQ23=HQ23

QQ33=HQ33

QQ44=(HQ44*HQ55-HQ45*HQ45)/HQ55

QQ55=(HQ44*HQ55-HQ45*HQ45)/HQ44

QQ66=HQ66

Q(1)=QQ11

Q(2)=QQ12

Q(3)=QQ13

Q(4)=QQ22

Q(5)=QQ23

Q(6)=QQ33

Q(7)=QQ66

Q(8)=QQ44

Q(9)=QQ55

!*

QQQ=Q(1)*(Q(4)*Q(6)-Q(5)*Q(5))-Q(2)*(Q(2)*Q(6)-Q(3)*Q(5))+Q(3)*(Q (2)*Q(5)-Q(3)*Q(4))

S1=(Q(4)*Q(6)-Q(5)*Q(5))/QQQ

S2=-(Q(2)*Q(6)-Q(3)*Q(5))/QQQ

S3=(Q(2)*Q(5)-Q(3)*Q(4))/QQQ

S4=(Q(1)*Q(6)-Q(3)*Q(3))/QQQ

S5=-(Q(1)*Q(5)-Q(2)*Q(3))/QQQ

S6=(Q(1)*Q(4)-Q(2)*Q(2))/QQQ

S7=1/Q(7)

S8=1/Q(8)

S9=1/Q(9)

EEX=1/S1

EEY=1/S4

EEZ=1/S6

VXY=-S2*EEX

VXZ=-S3*EEX

VYZ=-S5*EEY

GXY=1/S7

GYZ=1/S8

GXZ=1/S9

/EOF

2．複合材料強度準則

複合材料結構的受力及應力應變情況非常複雜，並要考慮各種應力應變的耦合和相互影響，複合材料強度破壞準則基於結構的宏觀破壞，一般來說複合材料的二次蔡-吳強度破壞準則較爲精確。有興趣的朋友可以參考科學出版社出版的蔡爲侖先生的《複合材料設計》這一本書。

3．複合材料結構剛強度分析

4．一般說來，複合材料結構總是受到空間力的作用，其應力分佈是三維的，因此，複合材料結構的剛強度分析一般不宜採用複合材料的板殼理論（這種理論僅考慮板殼面內的應力和橫向剪切應力，而忽略法向應力），同時，對於簡單的結構（如板、殼），可以得到彈性力學的一

般解，而對於大多數結構來說，則必須用數值的方法計算，三維有限元分析是最常用的方法。採用ANSYS程式對複合材料進行剛強度分析的步驟如下：

（1）建立結構的幾何模型

由於複合材料分析單元一般都是六面體單元，因此，在建立幾何時要特別考慮到網格劃分的方便。

（2）建立材料模型

根據複合材料材料參數建立單向複合材料材料模型，我所採用的是碳纖維增強複合材料，有兩種建立方法。

a.若選擇單元爲各向異性單元，則根據單向複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，則可以建立相關的材料模型，如單向複合材料則

可以建立正交各向異性材料模型

(3)選擇單元類型並設置相關屬性

根據結構特徵和計算要求，選擇不同的單元類型並設置單元屬性（各種單元的選擇依據請參考概述篇或ANSYS幫助文件）

(4)網格劃分

在建立的幾何實體上進行網格劃分，對於複合材料，選擇六面體三維實體單元，定義單元屬性，分別指定不同的材料屬性，並保證材料座標一致，運用有限元網格生成器進行網格劃分。

（5）定義邊界條件

根據實際情況定義邊界條件。

（6）分析設定並提交計算

設定分析類型及相關一些參數

（7）結果後處理

複合材料結構的分析結果在進行後處理時，非常重要的一點是選擇合適的並與計算時所用的座標一致的結果坐標系，如對於回轉體結構選擇計算時的柱座標。另外，對於用各向異性單元（Solid64）來類比的計算結果在結果處理時必須保證應力應變關係的一致，主

要是在不同種複合材料層間或者同一種複合材料不同鋪層方向的層之間介面的應力應變情況，ANSYS後處理中所得到的結果不完全是正確的，應該根據法向應力聯繫，面內應變連續的準則來進行處理。

複合材料結構分析總結（四）——優化篇

與傳統材料相比，複合材料具有可設計性，複合材料結構的多層次性

爲複合材料及其結構設計帶來了極大的靈活性，複合材料的力學性能和機械性能，都可按照結構的使用要求和環境條件要求，通過組分材料的選擇匹配、鋪層設計及介面控制等材料設計手段，最大限度的達到預期目的，以滿足工程設備的使用性能，因此，在工程實踐中對複合材料結構進行優化設計有很重要的現實意義，下面以我所研究的複合材料壓力容器爲例，將複合材料結構優化以及在ANSYS 下的實現過程給大家作一個介紹。 1． 問題描述

本文所涉及的複合材料壓力容器是帶有金屬內膽外纏碳纖維增強複合材料的複合容器，優化問題是：以金屬內膽壁厚、複合材料各纏繞層厚度和纏繞角爲設計變數，在滿足壓力容器強度（金屬內膽層和複合材料層均滿足強度要求）和重量要求的條件下，使壓力容器的剛度最大。 2． 優化模型

根據纖維增強複合材料特性，壓力容器環向纏繞複合材料有利於提高容器剛度，軸向平鋪複合材料有利於提高容器剛度，因此，模型採用3種纏繞角的方案，即靠近金屬內膽爲環向（90度）纏繞，中間爲α±纏繞，外部爲軸向平鋪（0度），以各層的厚度（金屬層和三層複合材料）和中間纏繞層的角度爲優化參數，在壓力容器強度約束的條件下，以壓力容器一階固有頻率爲優化目標。其數學模型如下：

()1234123123123120

:,(,,,)()

:

0),090() 1.2,() 1.5,()αα==++<>≤≤≥≥≤

T T

M a xim ize f X X

x x x x h h h S u b ject to h h h H h h h s X s X c X c 其中，，,,(，，

其中，f 爲複合材料壓力容器的一階固有頻率，s1和s2分別爲金屬內膽的安全係數和各複合材料層的強度比，通過有限元程式求得，α爲中間層複合材料纏繞角，h1 、h2 和h3分別爲金屬內膽厚度、90度纏繞層厚

度和α度纏繞層厚度，H 爲h1 、h2 和h3的極限值，當總厚度確定後，0度纏繞層厚度由h1 、h2 、h3及總厚度確定，c 爲複合容器重量，c0爲全壓力容器重量上限。 3． 優化演算法 基於ANSYS 的優化，可以直接使用ANSYS 提供的優化模組，根據上述優化模型，建立優化計算文件，選擇合適的優化演算法，進行計算。

同時，也可以通過APDL 語言（甚至可以通過外部編程環境，如VC++，FORTRAN 等）來自己編制優化演算法，本文就是通過自己編制優化演算法來實現的，採用的優化演算法是複形調優法。演算法描述如下： 複形調優法是求解約束條件下n 維極值問題的重要方法，通過構造複合形，計算各頂點的目標函數值，並進行比較，然後迴圈叠代，逐步替代最壞點構造新的複合形，經過多次叠代，進行收斂判斷，最終得到最優複合形，並求得最優值。其叠代過程如下：

（1） 在n 維空間中確定出初始複合形的n 2個滿足常量約束條件和函數約

束條件的頂點

()

n

j x x x j X T

nj

j j 2,,2,1,,,,)(21 ==；

（2） 計算複合形的n 2個頂點的目標函數值；n

j j X f j f 2,,2,1)),(()( ==

（3） 確定所有頂點中的最壞點和次壞點，即：

)

(min

))(()(21i f R X f R f n

i ≤≤==

)

(min

))(()(21i f G X f G f R

i n

i ≠≤≤==

其中)(R X 爲最壞點，)(G X 爲次壞點；

（4） 計算最壞點的)(R X 的對稱點)(T X

)()1()(R X X

T X F αα-+=

其中，

∑≠=-=

n

R

i i F

i X n X

21

)

(1

21

α

稱爲反射係數，一般取1.3左右；

（5） 根據對稱點)(T X 確定一個新的頂點替代最壞點)(R X 構成新的複合

形，當

))

(())((G X f T X f <或)(T X 不滿足常量約束條件和函數約束條

件，則修改)(T X ；

（6）重復（3）至（6），當複合形中的各個頂點距離小於給定精度要求爲止。

4．有限元計算模型

有限元計算主要是通過在ANSYS下建立有限元模型，用來計算強度和一階固有頻率，即約束條件和目標函數，其中，強度判斷中，金屬內膽部分採用第四強度準則，複合材料部分採用二次蔡胡準則。這部分內容在分析篇中已有描述。

5．優化過程

基於建立的優化模型和有限元模型，以ANSYS軟體爲分析平臺，並採用其提供的二次開發語言APDL編制計算程式，程式編制的依據爲複形調優演算法，其計算過程示意圖如圖1所示，程式流程圖如圖2所示。

圖1 優化過程示意圖

圖2 程式流程圖

Ansys在复合材料结构优化设计中的应用

Ａ一１３玻璃钢学会第十六届玻璃钢／复合材料学术年会论文集２００６年 Ａｍｙｓ在复合材料结构优化设计中的应用 覃海艺，邓京兰 （武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉４３００７０） 摘要：优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。本文详细介绍了Ａｎｓｙｓ两种优化设计方法．目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程，并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方＇法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。结果证明Ａｎｓｙｓ优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。 关键词：Ａｎｓｙｓ；优化设计方法；目标函数最优设计；拓扑优化设计；复合材料 ｌ前言 复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成，具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点，广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能，因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置，充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。Ａｎｓｙｓ软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术，Ａｎｓｙｓ强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心Ｊ。 ２Ａｎｓｙｓ中的优化设计方法【３娟ｊ ２．１目标函数最优设计 “最优设计”是指满足所有的设计要求，而且所需（如重量、面积、体积、应力、费用等）的方案最小，即目标函数值最小。也就是说，最优设计方案是一个最有效率的方案。在Ａｎｓｙｓ中设计方案的任何方面都是可以优化的，如尺寸（如厚度）、形状（如过渡圆角的大小）、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上，所有可以参数化的Ａｎｓｙｓ选项都可以作优化设计。目标函数最优设计是通过改变设计变量（自变量）的数值，使状态变量（设计变量的函数，因变量）在满足一定条件时，目标函数（因设计变量的改变而有所改变）的值最小。 目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件，该文件须包括整个分析的过程，并满足以下条件：参数化建立模型（ＰＲＥＩｙ７），对模型进行初次求解（ＳＯＬＵＴＩＯＮ），对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数（ＰＯＳＴｌ／ＰＯＳＴ２６）；②在Ａｎｓｙｓ数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数，这一步是标准的做法，但不是必须的（ＢＥＧＩＮ或ＯＰＴ）；③进入ＯＰＴ优化处理器，指定要进行优化设计循环的分析文件（ｏＰＴ）；④声明优化变量：指定哪些参数是设计变量，哪些参数是状态变量，哪个参数是目标函数；⑤选择优化工具或优化算法：优化算法是使单个函数（目标函数）在控制条件下达到最小值的传统算法，包括零阶算法和一阶算法；⑥指定优化循环控制方式，每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数，比如最大迭代次数等；⑦进行优化分析；⑧查看设计序列结果（ＯＰＴ）和后处理（ＰＯＳＴｌ／ＰＯＳＴ２６）。 ２．２拓扑优化设计 拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多作者简介：覃海艺（１９８０?），男，在读硕士。 ４９

ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用

ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用 复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材 料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。2.复合材料的层合结构定义：■铺层结构：ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。■板壳和梁单元截面形状：ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。3.特殊层合结构的模拟：?变厚度板壳铺层切断：将切断的某铺层厚度定义为零，即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。（图1上）?不同铺层板壳的节点协调：ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置，使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。（图1下）?蜂窝/泡沫夹层结构：ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性，夹层面板和芯子可以是不同材料。（图2）?板－梁－实体组合结构：ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系，各类单元的节点不需要重合并协调，便于飞机等复杂结构模型的处理。4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。（图3）5.复合材料层合结构分析ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性，包括最大应变/应力失效准则，蔡－吴（Tsai-Wu）准则。每种强度准则均可定义与温度相关，考虑不同温度下的材料性能。另外，用户也可自定义最多达六种的

ANSYS分析指南精华：子结构

第四章子结构 什么是子结构？ 子结构就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程。这个单一的矩阵单元称为超单元。在ANSYS分析中，超单元可以象其他单元类型一样使用。唯一的区别就是必须先进行结构生成分析以生成超单元。子结构可以在ANSYS/Mutiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural中使用。 使用子结构主要是为了节省机时，并且允许在比较有限的计算机设备资源的基础上求解超大规模的问题。原因之一如a)非线性分析和带有大量重复几何结构的分析。在非线性分析中，可以将模型线性部分作成子结构，这样这部分的单元矩阵就不用在非线性迭代过程中重复计算。在有重复几何结构的模型中（如有四条腿的桌子），可以对于重复的部分生成超单元，然后将它拷贝到不同的位置，这样做可以节省大量的机时。 子结构还用于模型有大转动的情况下。对于这些模型，ANSYS假定每个结构都是围绕其质心转动的。在三维情况下，子结构有三个转动自由度和三个平动自由度。在大转动模型中，用户在使用部分之前无须对子结构施加约束，因为每个子结构都是作为一个单元进行处理，是允许刚体位移的。 另外一个原因b)一个问题就波前大小和需用磁盘空间来说相对于一个计算 1

机系统太庞大了。这样，用户可以通过子结构将问题分块进行分析，每一块对于计算机系统来说都是可以计算的。 如何使用子结构 子结构分析有以下三个步骤： ●生成部分 ●使用部分 ●扩展部分 生成部分就是将普通的有限元单元凝聚为一个超单元。凝聚是通过定义一组主自由度来实现的。主自由度用于定义超单元与模型中其他单元的边界，提取模型的动力学特性。图4-1是一个板状构件用接触单元分析的示意。由于接触单元需要迭代计算，将板状构件形成子结构将显著地节省机时。本例中，主自由度是板与接触单元相连的自由度。 图4-1 子结构使用示例 2

ANSYS结构分析指 复合材料

ANSYS结构分析指南第五章复合材料 5.1 复合材料的相关概念 复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。 复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。 ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。 5.2 建立复合材料模型 与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。本节主要探讨如下问题： 选择合适的单元类型； 定义材料层； 确定失效准则； 应遵循的建模和后处理规则。 5.2.1 选择合适的单元类型 用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单元。具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。所有的层单元允许失效准则计算。 1、SHELL99--线性层状结构壳单元 SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。 2、SHELL91--非线性层状结构壳单元 SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为

ANSYS-结构稳态(静力)分析之经典实例-命令流格式

ANSYS 结构稳态(静力)分析之经典实例-命令流格式.txt两人之间的感情就像织毛衣，建立 的时候一针一线，小心而漫长，拆除的时候只要轻轻一拉。。。。/FILNAME,Allen-wrench,1 ! Jobname to use for all subsequent files /TITLE,Static analysis of an Allen wrench /UNITS,SI ! Reminder that the SI system of units is used /SHOW ! Specify graphics driver for interactive run; for batch ! run plots are written to pm02.grph ! Define parameters for future use EXX=2.07E11 ! Young's modulus (2.07E11 Pa = 30E6 psi) W_HEX=.01 ! Width of hex across flats (.01m=.39in) *AFUN,DEG ! Units for angular parametric functions定义弧度单位 W_FLAT=W_HEX*TAN(30) ! Width of flat L_SHANK=.075 ! Length of shank (short end) (.075m=3.0in) L_HANDLE=.2 ! Length of handle (long end) (.2m=7.9 in) BENDRAD=.01 ! Bend radius of Allen wrench (.01m=.39 in) L_ELEM=.0075 ! Element length (.0075 m = .30 in) NO_D_HEX=2 ! Number of divisions on hex flat TOL=25E-6 ! Tolerance for selecting nodes (25e-6 m = .001 in) /PREP7 ET,1,SOLID45 ! 3维实体结构单元；Eight-node brick element ET,2,PLANE42 ! 2维平面结构；Four-node quadrilateral (for area mesh) MP,EX,1,EXX ! Young's modulus for material 1；杨氏模量 MP,PRXY,1,0.3 ! Poisson's ratio for material 1；泊松比 RPOLY,6,W_FLAT ! Hexagonal area创建规则的多边形 K,7 ! Keypoint at (0,0,0) K,8,,,-L_SHANK ! Keypoint at shank-handle intersection K,9,,L_HANDLE,-L_SHANK ! Keypoint at end of handle L,4,1 ! Line through middle of hex shape L,7,8 ! Line along middle of shank L,8,9 ! Line along handle LFILLT,8,9,BENDRAD ! Line along bend radius between shank and handle! 产生 一个倒角圆，并生成三个点 /VIEW,,1,1,1 ! Isometric view in window 1 /ANGLE,,90,XM ! Rotates model 90 degrees about X! 不用累积的旋转 /TRIAD,ltop /PNUM,LINE,1 ! Line numbers turned on LPLOT

ANSYS命令流学习笔记圆柱形shell单元的复合材料分析

A N S Y S命令流学习笔记圆柱形s h e l l单元的 复合材料分析 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-

! ANSYS命令流学习笔记15-圆柱形shell单元的复合材料分析 !学习重点： !1、熟悉单元坐标系下的铺层 当零件形状为规则圆筒时，如何进行铺层建立局部的柱坐标系，将需要铺层单元坐标设置为局部坐标系，进行铺层即可。 譬如圆筒铺层的单元坐标系要建立局部圆柱坐标系。如果还使用笛卡尔坐标系，铺层也能进行，但是铺层方向有很大不同，求解结果也会异常。所以划分网格时，确认单元坐标系选择，划分网格之后，检查单元坐标系情况。确认铺层方向符合预期要求。 本例中要特别注意横向（即Y向）是否符合要求。 !2、熟悉圆面的建模和局部坐标系建立 不解释 !3、熟悉利用MPC施加扭矩 APDL如何对一个圆周施加扭矩在圆心处建立一个节点，然后用MPC单元连接圆心节点和圆周节点，然后在圆心节点上施加一个扭矩即可。 注意将MPC单元的属性改为刚性梁。 注意这里MPC单元的利用，也是自己的一些理解。很多细节也不知道如何在APDL 实现。 !问题描述 ! 传动轴长度为1m，壁厚，直径，铺层共十层，角度为-45/45/-45/45/-45/45/- 45/45/-45/45。一端固定，一端圆周施加扭矩M=2000N·m。 复合材料为横向正交各向异性Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz分别为195e9Pa, 35e9Pa, 35e9Pa,, , , 15e9Pa, , 15e9Pa。 应力失效参数：+X:767E6Pa; -X:392E6Pa; +Y:20E6Pa; -Y:70E6Pa; +Z:30E6Pa; -Z:55E6Pa; Sxy: 41E6Pa; Syz: 30E6Pa; Sxz: 41E6Pa。

ANSYS命令流学习笔记15-圆柱形shell单元的复合材料分析

! ANSYS命令流学习笔记15-圆柱形shell单元的复合材料分析 !学习重点： !1、熟悉单元坐标系下的铺层 当零件形状为规则圆筒时，如何进行铺层？建立局部的柱坐标系，将需要铺层单元坐标设置为局部坐标系，进行铺层即可。 譬如圆筒铺层的单元坐标系要建立局部圆柱坐标系。如果还使用笛卡尔坐标系，铺层也能进行，但是铺层方向有很大不同，求解结果也会异常。所以划分网格时，确认单元坐标系选择，划分网格之后，检查单元坐标系情况。确认铺层方向符合预期要求。 本例中要特别注意横向（即Y向）是否符合要求。 !2、熟悉圆面的建模和局部坐标系建立 不解释 !3、熟悉利用MPC施加扭矩 APDL如何对一个圆周施加扭矩？在圆心处建立一个节点，然后用MPC单元连接圆心节点和圆周节点，然后在圆心节点上施加一个扭矩即可。 注意将MPC单元的属性改为刚性梁。 注意这里MPC单元的利用，也是自己的一些理解。很多细节也不知道如何在APDL实现。 !问题描述 ! 传动轴长度为1m，壁厚0.003m，直径0.08m，铺层共十层，角度为-45/45/-45/45/-45/45/-45/45/-45/45。一端固定，一端圆周施加扭矩M=2000N·m。 复合材料为横向正交各向异性Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz分别为195e9Pa, 35e9Pa, 35e9Pa,0.28, 0.3, 0.3, 15e9Pa, 3.78e9Pa, 15e9Pa。 应力失效参数：+X:767E6Pa; -X:392E6Pa; +Y:20E6Pa; -Y:70E6Pa; +Z:30E6Pa; -Z:55E6Pa; Sxy: 41E6Pa; Syz: 30E6Pa; Sxz: 41E6Pa。 应变失效参数：+X:0.05; -X:0.045; +Y:0.08; -Y:0.06; +Z:0.04; -Z:0.045; Sxy: 0.035; Syz: 0.042; Sxz:0.025。

ansys子结构分析实例解析

ANSYS中的超单元 从8.0版开始，ANSYS中增加了超单元功能，本文通过一些实际例子，探讨了ANSYS 中超单元的具体使用。 1 使用超单元进行静力分析 根据ANSYS帮助文件，使用超单元的过程可以划分为三个阶段(称为Pass)： (1) 生成超单元模型(Generation Pass) (2) 使用超单元数据(Use Pass) (3) 扩展模型(Expansion Pass) 以下摘自htbbzzg邹老师博客，请勿乱传! 下面以一个例子加以说明： 一块板，尺寸为20×40×2，材料为钢，一端固支，另一端承受法向载荷。 首先生成原始模型se_all.db，即按照整个结构进行分析，以便后面与超单元结果进行比较： 首先生成两个矩形，尺寸各为20×2。然后定义单元类型shell63； 定义实常数1为： 2 (板厚度)。 材料性能：弹性模量E=201000；波松比μ=0.3；密度ρ=7.8e-9； 单位为mm-s-N-MPa。 采用边长1划分单元；一端设置位移约束all，另一端所有(21个)节点各承受Z向力5。计算模型如下图：

静力分析的计算结果如下：

为了后面比较的方便，分别给出两个area上的结果：

超单元部分，按照上述步骤操作如下： (1) 生成超单元 选择后半段作为超单元，前半段作为非超单元(主单元)。 按照ANSYS使用超单元的要求，超单元与非超单元部分的界面节点必须一致(重合)，且最好分别的节点编号也相同，否则需要分别对各节点对建立耦合方程，操作比较麻烦。 实际上，利用ANSYS中提供的mesh200单元，对超单元和非超单元的界面实体，按照同一顺序，先于所有其它实体划分单元，很容易满足界面节点编号相同的要求。对于多级超单元的情况，则还要结合其它操作(如偏移节点号等)以满足这一要求。 对于本例，采用另一办法，即先建立整个模型，然后再划分超单元和非超单元。即：将上述模型分别存为se_1.db (超单元部分)和se_main.db (非超单元部分)两个文件，然后分别处理。 对于se_1.db模型，按照超单元方式进行处理。由于模型及边界条件已建立，只需删除前半段上的划分，结果就是超单元所需的模型。 然后直接进入创建超单元矩阵的操作，首先说明一下创建超单元矩阵的一般步骤： A进入求解模块： 命令：/Solu GUI：Main menu -> Solution B设置分析类型为“子结构或部件模态综合“

ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析

! ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析!学习重点： !1、熟悉复合材料的材料特点 工程应用中典型的复合材料为纤维增强复合材料。玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）、碳纤维、石墨纤维、硼纤维等高强度和高模量纤维。复合材料各层为正交各向异性材料（Orthotropic）或者横向各向异性材料（Transversal Isotropic），材料的性能与材料主轴的取向有关。 各向异性Anisotropic，一般的各项同性材料需要两个材料参数弹性模量E和泊松比v。而各向异性在XYZ有着不同的材料属性，而且拉伸行为和剪切行为互相关联。定义其几何方程需要21个参数。 正交各向异性orthotropic，在XYZ有着不同的材料属性，而且拉伸行为和剪切行为无关，定义材料需要9个参数：Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz。 横向各向异性Transversal Isotropic，属于各向异性材料，但是在某个平面上表现出二维上的各向同性。

!2、熟悉复合材料分析所用的ANSYS单元 复合材料单元关键在于能够实现铺层。不同截面属性的梁单元（beam188, beam189, elbow290），2D对称壳单元（shell208, shell209），3D铺层壳单元（shell181, shell281, shell131, shell132），3D铺层实体单元（solid185, solid186, solsh190, solid278, solid279），均能实现复合材料的搭建。其中Beam单元和2D对称壳单元很少使用。SHELL91、SHELL99、SOLID46、SOLID191用于一些以前的分析教程中，但是现在这些单元已经被淘汰，最好选择下列单元区替代他们。用越来越少的单元做越来越多的事情也是趋势。 Shell208和shell209，2D对称壳单元 前者为2节点3自由度单元，后者为3节点3自由度单元，均能用于薄板和中厚板结构（L/h > 5-8）。能够用于复合材料铺层，三明治结构建模。 shell181和shell281, 3D铺层壳单元 前者为4节点6自由度单元，后者为8节点6自由度单元，均能用于薄板和中厚板结构（L/h > 5-8）。能够用于复合材料铺层，三明治结构建模。复合材料计算精度由一阶剪切变形理论决定。shell131, shell132为热分析单元，单元类型分别类似于shell181，shell281。 [注：经典变形理论假设变形后的中位线仍然垂直于中面，且长度不变。一阶变形理论假设变形后的法线仍然为直线且长度不变。三阶阶变形理论假设变形后的法线为三阶曲线。] solid185和solid186, 3D铺层实体单元 前者为8节点3自由度单元，后者为20节点3自由度单元，用于厚板和实体的复合材料分析，均为六面体单元，均可退化为六棱柱单元。Solid278, solid279为热分析单元，单元类型分别类似于solid185，solid186。 Solsh190，3D铺层实体壳单元 8节点3自由度单元，类似实体单元，但是用于薄板和中厚度板的壳结构分析，其结构行为遵循一阶剪切变形理论。 !3、熟悉复合材料的失效准则

ANSYS分析实例详解

ANSYS分析实例详解 姓名：XXX 学号：XXX 专业：XXX 内容：空调支架的有限元分析 本次作业为对一空调支架的有限元分析，其主要内容包括空调支架的建模、有限元分析、强度校核以及结构优化等。下图为空调支架一侧的实物图片： 1、空调支架的特点分析 由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。本次作业可以分三部分来完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用商业化有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。 2、空调支架的建模 空调支架的具体尺寸图如下图所示：

考虑到空调支架模型结构简单，故在此没有利用三维软件建模而是直接在有限元分析软件中进行建模，本次作业采用的有限元分析软件为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件ANSYS10.0。建立模型包括设定分析作业名和标题，定义单元类型、定义材料属性、建立三维模型、划分有限元网格。 2.1设定分析作业名和标题 打开ANSYS软件进入ANSYS操作界面，首先从主菜单中选择【Preferences】命令，勾选Structural。然后从实用菜单中选择【Change Jobname】命令，将文件名修改为Ktiao2，从实用菜单中选择【Change Title】命令，将标题修改为Ktiao2。如下图所示： 2.2定义单元类型 在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本文中选用8节点六面体单元Solid185。如下图所示：

ANSYS结构力分析实例

基于图形界面的桁架桥梁结构分析(step by step) 下面以一个简单桁架桥梁为例，以展示有限元分析的全过程。背景素材选自位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988)，见图3-22。该桁架桥由型钢组成，顶梁及侧梁，桥身弦杆，底梁分别采用3 种不同型号的型钢，结构参数见表3-6。桥长L=32m,桥高H=5.5m。桥身由8 段桁架组成，每段长4m。该桥梁可以通行卡车，若这里仅考虑卡车位于桥梁中间位置，假设卡车的质量为4000kg，若取一半的模型，可以将卡车对桥梁的作用力简化为P1 ，P2 和P3 ，其中P1= P3=5000 N, P2=10000N，见图3-23。 图3-22 位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988) 图3-23 桥梁的简化平面模型(取桥梁的一半) 表3-6 桥梁结构中各种构件的几何性能参数 解答以下为基于ANSYS 图形界面(Graphic User Interface , GUI)的菜单操作流程。 (1) 进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）

程序→ANSYS →ANSYS Interactive →Working directory（设置工作目录）→Initial jobname （设置工作文件名）:TrussBridge →Run →OK (2) 设置计算类型 ANSYS Main Menu：Preferences… →Structural →OK (3) 定义单元类型 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete... →Add…→Beam: 2d elastic 3 →OK（返回到Element Types窗口）→Close (4) 定义实常数以确定梁单元的截面参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants…→Add/Edit/Delete →Add…→select Type 1 Beam 3 →OK →input Real Constants Set No. : 1 , AREA: 2.19E-3，Izz: 3.83e-6(1号实常数用于顶梁和侧梁) →Apply →input Real Constants Set No. : 2 , AREA: 1.185E-3，Izz: 1.87E-6 (2号实常数用于弦杆) →Apply →input Real Constants Set No. : 3, AREA: 3.031E-3，Izz: 8.47E-6 (3号实常数用于底梁) →OK (back to Real Constants window) →Close (the Real Constants window) (5) 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX: 2.1e11, PRXY: 0.3(定义泊松比及弹性模量) →OK →Density (定义材料密度) →input DENS: 7800, →OK →Close（关闭材料定义窗口） (6) 构造桁架桥模型 生成桥体几何模型 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →NPT Keypoint number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0 →Apply →同样输入其余15个特征点坐标（最左端为起始点，坐标分别为(4,0), (8,0), (12,0), (16,0), (20,0), (24,0), (28,0), (32,0), (4,5.5), (8,5.5), (12,5.5), (16.5.5), (20,5.5), (24,5.5), (28,5.5)）→Lines →Lines →Straight Line →依次分别连接特征点→OK 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Attributes →Picked Lines →选择桥顶梁及侧梁→OK →select REAL: 1, TYPE: 1 →Apply →选择桥体弦杆→OK →select REAL: 2, TYPE: 1 →Apply →选择桥底梁→OK →select REAL: 3, TYPE:1 →OK →ANSYS Main Menu：Preprocessor →Meshing →MeshTool →位于Size Controls下的Lines：Set →Element Size on Picked →Pick all →Apply →NDIV：1 →OK →Mesh →Lines →Pick all →OK (划分网格) (7) 模型加约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural→Displacement →On Nodes →选取桥身左端节点→OK →select Lab2: All DOF(施加全部约束) →Apply →选取桥身右端节点→OK →select Lab2: UY(施加Y方向约束) →OK (8) 施加载荷 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Force/Moment →On Keypoints →选取底梁上卡车两侧关键点（X坐标为12及20）→OK →select Lab: FY，Value: -5000 →Apply →选取底梁上卡车中部关键点（X坐标为16）→OK →select Lab: FY，Value: -10000 →OK →ANSYS Utility Menu：→Select →Everything (9) 计算分析 ANSYS Main Menu：Solution →Solve →Current LS →OK (10) 结果显示 ANSYS Main Menu：General Postproc →Plot Results →Deformed shape →Def shape only →OK（返回到Plot Results）→Contour Plot →Nodal Solu →DOF Solution, Y-Component of Displacement →OK（显示Y方向位移UY）(见图3-24(a))

ANSYS-复合材料实例2

MSC/NASTRAN 113 Exercise Workbook 1a-1 WORKSHOP PROBLEM 1a Uniaxial Loading of a Laminar Composite Plate (Part I) X Y Z 1” 1” F t = 0. 0108” Objectives: s Create composite material definition.s Create model.s Specify loads. s Create a MSC/NASTRAN input file directly or by using MSC/PATRAN.s Run the analysis using MSC/NASTRAN.s Review deformed shape.

1a-2MSC/NASTRAN 113 Exercise Workbook

WORKSHOP 1a Uniaxial Loading - Part I MSC/NASTRAN 113 Exercise Workbook 1a-3 Model Description: The figure below shows a 2-ply composite plate with uniaxial loading. Figure 1a-1 The plies are a typical graphite/epoxy tape with the following properties: Table 1a-1: Material Properties Elastic Modulus, 1-120 x 106 psi Elastic Modulus, 1-2 2 x 106 psi Poisson Ratio 0.35Shear Modulus 1 x 106 psi Layer Thickness (in) .0054 in X Y Z 1” 1” F t = 0. 0108”

工字钢-ANSYS实例分析72道(含结果)

2.3 工字钢-ANSYS 实例分析 (三维实体结构) 介绍三维实体结构的有限元分析。 一、问题描述 图1所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸为 1.0,0.16,0.2,0.02,0.02l m a m b m c m d m =====。试建立该工字钢梁的三维实体模型，并在考虑重力的情况下对其进行结构静力分析。 图1 工字钢结构示意图 其他已知参数如下： 弹性模量（也称杨式模量） E= 206GPa ；泊松比3.0=u ； 材料密度3 /7800m kg =ρ；重力加速度2/8.9s m g =； 作用力F y 作用于梁的上表面沿长度方向中线处，为分布力，其大小F y =-5000N 。 二、实训步骤 (一) ANSYS10.0的启动与设置 1、启动。点击：开始>所有程序> ANSYS10.0> ANSYS ，即可进入ANSYS 图形用户主界面。 2、功能设置(过滤)。点击主菜单中的“Preference”菜单(Main Menu > Preferences)，弹出“参数设置”对话框，选中“Structural”复选框，点击“OK”按钮，关闭对话框，如图2所示。本步骤的目的是过滤不必要的菜单，仅使用该软件的结构分析功能，以简化主菜单中各级子菜单的结构。

图2 Preference参数设置对话框 3、系统单位设置。由于ANSYS软件系统默认的单位为英制，因此，在分析之前，应将其设置成国际公制单位。在命令输入栏中键入“/UNITS，SI”，然后回车即可(系统一般看不出反应，但可以在Output Window 中查看到结果，如图3所示)。（注：SI表示国际公制单位） 设置完成后按主菜单中前处理器(在ANSYS中称为PREP7)设定的先后顺序进行，具体如图4所示。

ansys子模型介绍与应用实例

第五章子模型 何为子模型？ 子模型是得到模型部分区域中更加精确解的有限单元技术。在有限元分析中往往出现这种情况，即对于用户关心的区域，如应力集中区域，网格太疏不能得到满意的结果，而对于这些区域之外的部分，网格密度已经足够了。见图5-1。 图5-1 轮毂和轮辐的子模型 a)粗糙模型，b)叠加的子模型 要得到这些区域的较精确的解，可以采取两种办法：(a)用较细的网格重新划分并分析整个模型，或(b)只在关心的区域细化网格并对其分析。显而易见，方法a太耗费机时，方法b即为子模型技术。 子模型方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法。切割边界就是子模型从整个较粗糙的模型分割开的边界。整体模型切割边界的计算位移值即为子模型的边界条件。 子模型基于圣维南原理，即如果实际分布载荷被等效载荷代替以后，应力和应变只在载荷施加的位置附近有改变。这说明只有在载荷集中位置才有应力集中效应，如果子模型的位置远离应力集中位置，则子模型内就可以得到较精确的结果。 ANSYS程序并不限制子模型分析必须为结构（应力）分析。子模型也可以有效地应用于其他分析中。如在电磁分析中，可以用子模型计算感兴趣区域的电磁力。 除了能求得模型某部分的精确解以外，子模型技术还有几个优点： 它减少甚至取消了有限元实体模型中所需的复杂的传递区域。 它使得用户可以在感兴趣的区域就不同的设计（如不同的圆角半径）进行分析。 它帮助用户证明网格划分是否足够细。 使用子模型的一些限制如下： 只对体单元和壳单元有效。 子模型的原理要求切割边界应远离应力集中区域。用户必须验证是否满足这

个要求。 如何作子模型分析 子模型分析的过程包括以下步骤： 1. 生成并分析较粗糙的模型。 2. 生成子模型。 3. 提供切割边界插值。 4. 分析子模型。 5. 验证切割边界和应力集中区域的距离应足够远。 第一步：生成并分析较粗糙的模型 第一个步骤是对整体建模并分析。（注－为了方便区分这个原始模型，我们将其称为粗糙模型。这并不表示模型的网格划分必须是粗糙的，而是说模型的网格划分相对子模型的网格是较粗糙的。） 分析类型可以是静态或瞬态的，其操作与各分析的步骤相同。下面列出了其他的一些要记住的方面。 文件名——粗糙模型和子模型应该使用不同的文件名。这样就可以保证文件不被覆盖。而且在切割边界插值时可以方便地指出粗糙模型的文件。用下列方法指定文件名： Command: /FILNAME GUI: Utility Menu>File>Change Jobname 单元类型——子模型技术只能使用块单元和壳单元。分析模型中可以有其他单元类型（如梁单元作为加强筋），但切割边界只能经过块和壳单元。 一种特殊的子模型技术，称为壳到体子模型技术，允许用户用壳单元建立粗糙模型而用三维块单元建立子模型。本技术在后面还要讨论。 建模——在很多情况下，粗糙模型不需要包含局部的细节如圆角等，见下图。但是，有限元网格必须细化到足以得到较合理的位移解。这一点很重要，因为子模型的结果是根据切割边界的位移解插值得到的。 图5-2 粗糙模型可以不包括一些细节部分 文件——结果文件（Jobname.RST,Jobname.RMG等）和数据库文件（Jobname.DB,包含几何模型）在粗糙模型分析中是需要的。在生成子模型前应

基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析

国　防　科　技　大　学　学　报 第32卷第2期 JOURNA L OF NA TIONA L UNIVERSITY OF DEFE NSE TECHNO LOGY V ol.32N o.22010文章编号:1001-2486(2010)02-0046-05 基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析Ξ 周鹏展1,2,3,肖加余1,曾竟成1,王　进2,杨　军2 (1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙　410073; 2.株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲　412007; 3.长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙　410076) 摘　要:基于ANSY S软件,对某款应用于G L3A风场的1500kW大型复合材料风力机叶片进行了结构分析。分析结果表明:该叶片的振型以一阶挥舞和一阶摆振为主,其频率分别为0186H z和1159H z;在极限挥舞 载荷作用下,该叶片有限元模型计算得到的叶尖挠度为81445m,而该叶片全尺寸静力试验得到的极限挥舞载 荷作用下的叶尖挠度为8112m,计算值与试验值的误差只有318%;另外,该叶片的最大计算拉应力和压应力 分别为228MPa和201MPa,而该叶片玻纤Π环氧复合材料实测拉伸强度和实测压缩失稳强度分别为720MPa和 380MPa,其计算最大应力只有对应实测极限强度的3117%和5219%。 关键词:复合材料;风力机叶片;结构分析;极限挥舞载荷 中图分类号:TK8 文献标识码:A Structural Analysis of Large2scale Composite Wind Turbine B lade B ased on ANSYS ZH OU Peng2zhan1,2,3,XI AO Jia2yu1,ZE NGJing2cheng1,W ANGJin2,Y ANGJun2 (1.C ollege of Aerospace and M aterial Engineering,National Univ.of Defense T echnology,Changsha410073,China; 2.Zhuzhou T imes New M aterial T echnology C o.Ltd.,Zhuzhou412007,China; 3.C ollege of Energy and P ower Engineering,Changsha Univ.of Science&T echnology,Changsha410076,China) Abstract:Based on the ANSY S s oftware,the structural analysis of a kind of1500kW large2scale com posite wind turbine blade which applied in G L3A wind farm was carried out.The analysis results show that the vibration m odes of this blade are mainly presented as first flapwise m ode and first edgewise m ode,the frequencies of the vibration are respectively0.86H z and1.59H z.At the action of ultimate flapwise loads,the FE M analysis results show that the blade tip deformation is8.445m,while the blade tip deformation of the full scale blade under static test is8.12m,s o the deviation between the calculated and tested value of the blade tip deformation is only 3.8%.M oreover,the calculated maximum tensile stress and the com pressive stress are228MPa and201MPa,while the tested tensile strength and com pressive buckling strength of the glass2fiberΠepoxy com posite are720MPa and380MPa,respectively.C onsequently,the percentages of the calculated maximum stress and the tested ultimate strength are respectively31.7%and52.9%. K ey w ords:com posite;wind turbine blade;structural analysis;ultimate flapwise load 风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一,随着世界风力发电机组向大功率方向发展,风力机叶片的长度越来越长,目前世界最长的复合材料风力机叶片是丹麦LM公司生产的,其长度已达6115m,单片重约18t,从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了更高的要求[1-3]。复合材料具有比强度高、比刚度高、重量轻、可设计性强、承力性能好等特点[4-5],因而在大型风力机叶片中获得了广泛应用。风力机叶片的结构分析作为风力机叶片结构设计的技术基础之一,开始在大功率风力机叶片结构的校核与优化设计中发挥着日益重要的作用。 由于大型复合材料风力机叶片的外形结构和铺层结构都非常复杂,其外形由不同翼型构建而成,属Ξ收稿日期:2009-09-22 基金项目:国家863计划资助项目(2007AA03Z563);中国博士后科学基金资助项目(20070420832);湖南省科技资助项目(2008RS4033) 作者简介:周鹏展(1973—),男,博士后。