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Ansys复合材料结构分析总结

Ansys复合材料结构分析总结
Ansys复合材料结构分析总结

Ansys复合材料结构分析总结

说明:整理自Simwe论坛,复合材料版块,原创fea_stud,大家要感谢他呀

目录

1# 复合材料结构分析总结(一)——概述篇

5# 复合材料结构分析总结(二)——建模篇

10# 复合材料结构分析总结(三)——分析篇

13# 复合材料结构分析总结(四)——优化篇

做了一年多的复合材料压力容器的分析工作,也积累了一些分析经验,到了总结的时候了,回想起来,总最初采用I-deas,到MSC.Patran、Nastran,到最后选定Ansys为自己的分析工具,确实有一些东西值得和大家分享,与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。

(一)概述篇

复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成,其主要优点是具有优异的材料性能,在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料,这种材料的特性表现为正交各向异性,对于这种材料的模拟,很多的程序都提供了一些处理方法,在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。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(Solid 64)来模拟,另外还专门提供了一类层合单元(Layer Elements)来模拟层合结构(Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191)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。

Shell 99 ——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;

Shell 91 ——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;

Shell 181——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;

Solid 46 ——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;

Solid 191——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Solid 46单元

(1) Solid 46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;

(2)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;

(3)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;

(4)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Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191;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

!******Create Material*******

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDA TA,EX,1,,2.068e8

MPDA TA,PRXY,1,,0.29

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDA TA,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

VROTA T,P51X, , , , , ,P51X, ,90,1, TYPE, 1

MA T, 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

FLST,2,4,3

FITEM,2,21

FITEM,2,111

FITEM,2,112

FITEM,2,22

A,P51X

改为:

FLST,2,4,3

FITEM,2,22

FITEM,2,21

FITEM,2,111

FITEM,2,112

A,P51X

再看一下单元坐标。

ANSYS坐标系总结

工作平面(Working Plane)

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>Local CS>Create LC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>Change active CS to>。

节点坐标系

每一个节点都有一个附着的坐标系。节点坐标系缺省总是笛卡尔坐标系并与总体笛卡尔坐标系平行。节点力和节点边界条件(约束)指的是节点坐标系的方向。时间历程后处理器/POST26 中的结果数据是在节点坐标系下表达的。而通用后处理器/POST1中的结果是按结果坐标系进行表达的。

例如: 模型中任意位置的一个圆,要施加径向约束。首先需要在圆的中心创建一个柱坐标系并分配一个坐标系号码(例如CS,11)。这个局部坐标系现在成为激活的坐标系。然后选择圆上的所有节点。通过使用"Prep7>Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 选择节点的节点坐标系的朝向将沿着激活坐标系的方向。未选择节点保持不变。节点坐标系的显示通过菜单路径Pltctrls>Symbols>Nodal CS。这些节点坐标系的X方向现在沿径向。约束这些选择节点的X方向,就是施加的径向约束。

注意:节点坐标系总是笛卡尔坐标系。可以将节点坐标系旋转到一个局部柱坐标下。这种情况下,节点坐标系的X方向指向径向,Y方向是周向(theta)。可是当施加theta方向非零

位移时,ANSYS总是定义它为一个笛卡尔Y位移而不是一个转动(Y位移不是theta位移)。单元坐标系

单元坐标系确定材料属性的方向(例如,复合材料的铺层方向)。对后处理也是很有用的,诸如提取梁和壳单元的膜力。单元坐标系的朝向在单元类型的描述中可以找到。

结果坐标系

/Post1通用后处理器中(位移, 应力,支座反力)在结果坐标系中报告,缺省平行于总体笛卡尔坐标系。这意味着缺省情况位移,应力和支座反力按照总体笛卡尔在坐标系表达。无论节点和单元坐标系如何设定。要恢复径向和环向应力,结果坐标系必须旋转到适当的坐标系下。这可以通过菜单路径Post1>Options for output实现。/POST26时间历程后处理器中的结果总是以节点坐标系表达。

显示坐标系

显示坐标系对列表圆柱和球节点坐标非常有用(例如, 径向,周向坐标)。建议不要激活这个坐标系进行显示。屏幕上的坐标系是笛卡尔坐标系。显示坐标系为柱坐标系,圆弧将显示为直线。这可能引起混乱。因此在以非笛卡尔坐标系列表节点坐标之后将显示坐标系恢复到总体笛卡尔坐标系。

分析篇

下面就我对碳纤维增强复合材料压力容器分析过程中所做的工作,从复合材料材料参数转化、复合材料强度准则、结构刚强度分析几方面写些我的心得,与大家共同探讨。

1.复合材料材料参数的转化

单向纤维增强复合材料(也称单向板)是指纤维按照同一方向平行排列的复合材料,是构成层合板和壳的基本元素,可认为是一种正交各向异性材料,也是一种横观各向同性材料(存在一个各向同性面),在进行有限元计算时,必须知道复合材料的弹性特性参数,并由弹性特性参数来计算正交各向异性材料的9个参数(在ANSYS程序中定义材料时所需3个弹性模量、3个泊松系数和3个剪切模量),单向复合材料特性的计算有许多种方法,主要的方法有Halpin-Tai的弹性力学方法,这种方法根据弹性理论将复杂的纤维与树脂间的关系用一组方程来表示,通过求解方程组,解得弹性参数,我们使用的9个弹性参数的计算是通过单向复合材料的刚度矩阵转化得到,下面是用APDL语言编写的材料转化程序。

MA T_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.复合材料强度准则

复合材料结构的受力及应力应变情况非常复杂,并要考虑各种应力应变的耦合和相互影响,复合材料强度破坏准则基于结构的宏观破坏,一般来说复合材料的二次蔡-吴强度破坏准则较为精确。有兴趣的朋友可以参考科学出版社出版的蔡为仑先生的《复合材料设计》这一本书。

3.复合材料结构刚强度分析

一般说来,复合材料结构总是受到空间力的作用,其应力分布是三维的,因此,复合材料结构的刚强度分析一般不宜采用复合材料的板壳理论(这种理论仅考虑板壳面内的应力和横向剪切应力,而忽略法向应力),同时,对于简单的结构(如板、壳),可以得到弹性力学的一般解,而对于大多数结构来说,则必须用数值的方法计算,三维有限元分析是最常用的方法。采用ANSYS程序对复合材料进行刚强度分析的步骤如下:

(1)建立结构的几何模型

由于复合材料分析单元一般都是六面体单元,因此,在建立几何时要特别考虑到网格划分的方便。

(2)建立材料模型

根据复合材料材料参数建立单向复合材料材料模型,我所采用的是碳纤维增强复合材料,有两种建立方法。

a. 若选择单元为各向异性单元,则根据单向复合材料的刚度矩阵或柔度矩阵建立各向异性材料模型;

b. 若选择层合单元,则可以建立相关的材料模型,如单向复合材料则可以建立正交各向异性材料模型

(3)选择单元类型并设置相关属性

根据结构特征和计算要求,选择不同的单元类型并设置单元属性(各种单元的选择依据请参考概述篇或ANSYS帮助文件)

(4)网格划分

在建立的几何实体上进行网格划分,对于复合材料,选择六面体三维实体单元,定义单元属性,分别指定不同的材料属性,并保证材料坐标一致,运用有限元网格生成器进行网格划分。

(5)定义边界条件

根据实际情况定义边界条件。

(6)分析设定并提交计算

设定分析类型及相关一些参数

(7)结果后处理

复合材料结构的分析结果在进行后处理时,非常重要的一点是选择合适的并与计算时所用的坐标一致的结果坐标系,如对于回转体结构选择计算时的柱坐标。另外,对于用各向异性单元(Solid64)来模拟的计算结果在结果处理时必须保证应力应变关系的一致,主要是在不同种复合材料层间或者同一种复合材料不同铺层方向的层之间界面的应力应变情况,ANSYS后处理中所得到的结果不完全是正确的,应该根据法向应力联系,面内应变连续的准则来进行处理。

复合材料结构分析总结(四)——优化篇

与传统材料相比,复合材料具有可设计性,复合材料结构的多层次性为复合材料及其结构设计带来了极大的灵活性,复合材料的力学性能和机械性能,都可按照结构的使用要求和环境条件要求,通过组分材料的选择匹配、铺层设计及界面控制等材料设计手段,最大限度的达到预期目的,以满足工程设备的使用性能,因此,在工程实践中对复合材料结构进行优化设计有很重要的现实意义,下面以我所研究的复合材料压力容器为例,将复合材料结构优化以及在ANSYS下的实现过程给大家作一个介绍。

1.问题描述

本文所涉及的复合材料压力容器是带有金属内胆外缠碳纤维增强复合材料的复合容器,优化问题是:以金属内胆壁厚、复合材料各缠绕层厚度和缠绕角为设计变量,在满足压力容器强度(金属内胆层和复合材料层均满足强度要求)和重量要求的条件下,使压力容器的刚度最大。

2.优化模型

根据纤维增强复合材料特性,压力容器环向缠绕复合材料有利于提高容器刚度,轴向平铺复合材料有利于提高容器刚度,因此,模型采用3种缠绕角的方案,即靠近金属内胆为环向(90度)缠绕,中间为α

±缠绕,外部为轴向平铺(0度),以各层的厚度(金属层和三层复合材料)和中间缠绕层的角度为优化参数,在压力容器强度约束的条件下,以压力容器一阶固有频率为优化目标。其数学模型如下:

()1234123123123120

:,(,,,)()

:

0),090() 1.2,() 1.5,()αα==++<>≤≤≥≥≤

T T

M axim ize f X X

x x x x h h h Subject to h h h H h h h s X s X c X c 其中,,,,(,,

其中,f 为复合材料压力容器的一阶固有频率,s 1和s 2分别为金属内胆的安全系数和各复合材料层的强度比,通过有限元程序求得,α为中间层复合材料缠绕角,h 1 、h 2 和h 3分别为金属内胆厚度、90度缠绕层厚度和α度缠绕层厚度,H 为h 1 、h 2 和h 3的极限值,当总厚度确定后,0度缠绕层厚度由h 1 、h 2 、h 3及总厚度确定,c 为复合容器重量,c 0为全压力容器重量上限。 3. 优化算法

基于ANSYS 的优化,可以直接使用ANSYS 提供的优化模块,根据上述优化模型,建立优化计算文件,选择合适的优化算法,进行计算。

同时,也可以通过APDL 语言(甚至可以通过外部编程环境,如VC++,FORTRAN 等)来自己编制优化算法,本文就是通过自己编制优化算法来实现的,采用的优化算法是复形调优法。算法描述如下:

复形调优法是求解约束条件下n 维极值问题的重要方法,通过构造复合形,计算各顶点的目标函数值,并进行比较,然后循环迭代,逐步替代最坏点构造新的复合形,经过多次迭代,进行收敛判断,最终得到最优复合形,并求得最优值。其迭代过程如下:

(1) 在n 维空间中确定出初始复合形的n 2个满足常量约束条件和函数约束条件的顶点

()

n j x x x j X T

nj

j j 2,,2,1,,,,)(21 ==;

(2) 计算复合形的n 2个顶点的目标函数值;n j j X f j f 2,,2,1)),(()( == (3) 确定所有顶点中的最坏点和次坏点,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 为最坏点,)(G X 为次坏点;

(4) 计算最坏点的)(R X 的对称点)(T X

)()1()(R X X T X F αα-+=

其中, ∑≠=-=

n

R

i i F

i X n X

21

)(121

α称为反射系数,一般取1.3左右;

(5) 根据对称点)(T X 确定一个新的顶点替代最坏点)(R X 构成新的复合形,当

))(())((G X f T X f <或)(T X 不满足常量约束条件和函数约束条件,则修改

)

X;

(T

(6)重复(3)至(6),当复合形中的各个顶点距离小于给定精度要求为止。

4.有限元计算模型

有限元计算主要是通过在ANSYS下建立有限元模型,用来计算强度和一阶固有频率,即约束条件和目标函数,其中,强度判断中,金属内胆部分采用第四强度准则,复合材料部分采用二次蔡胡准则。这部分内容在分析篇中已有描述。

5.优化过程

基于建立的优化模型和有限元模型,以ANSYS软件为分析平台,并采用其提供的二次开发语言APDL编制计算程序,程序编制的依据为复形调优算法,其计算过程示意图如图1所示,程序流程图如图2所示。

图1 优化过程示意图

图2 程序流程图

最新ansys屈曲分析练习模型

ansys屈曲分析练习模型: 边界条件:底端固定 几何:长为100mm,截面:10mm×10mm 惯性矩:Izz=833.333 材料性质:E=2.0e5MPa,v=0.3 分析压力的临界值 分析过程:特征值屈曲分析方法: 1、建立关键点1(0 0 0),2(0 100 0) 2、在关键点1、2之间建立直线 3、定义单元类型(Beam3) 4、定义单元常数 5、定义材料属性

6、定义网格大小,指定单元边长为10 7、划分网格 (首先此处应该做一次模态分析,有模态数据文件,后出来才可以看屈曲模态。) 8、定义分析类型(static) 9、激活预应力效应。要进行屈曲分析,必须激活预应力效应。 10、施加位移约束(关键点1固定) 11、施加集中荷载,Fy=-1N 12、求解 13、结束求解, 14、重新定义分析类型(Eigen Buckling) 15、设置屈曲分析选项,提取1阶模态(菜单路径:Solution-->Analysis Type-->Analysis options 16、求解,结束后退出

17、解的展开 1)设置expansion pass “on” 2)设置展开模态为1(Load Step Options>ExpansionsPass>Single Expand>Expand Modes 3)重新求解 18、查看结果(临界载荷和屈曲模态等) 二、非线性分析方法 前8步与上述过程相同 9、设置分析控制(主要黄色高亮部分区域需要修改) 10、施加位移约束(关键点1固定) 11、施加集中荷载,Fy=-50000N,Fx=-250N 12、求解

复合材料结构分析总结

复合材料结构分析总结 说明:整理自Simwe论坛,复合材料版块,原创fea_stud,大家要感谢他呀 目录 1# 复合材料结构分析总结(一)——概述篇 5# 复合材料结构分析总结(二)——建模篇 10# 复合材料结构分析总结(三)——分析篇 13# 复合材料结构分析总结(四)——优化篇 做了一年多的复合材料压力容器的分析工作,也积累了一些分析经验,到了总结的时候了,回想起来,总最初采用I-deas,到MSC.Patran、Nastran,到最后选定Ansys为自己的分析工具,确实有一些东西值得和大家分享,与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。 (一)概述篇 复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成,其主要优点是具有优异的材料性能,在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料,这种材料的特性表现为正交各向异性,对于这种材料的模拟,很多的程序都提供了一些处理方法,在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。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(Solid 64)来模拟,另外还专门提供了一类层合单元(Layer Elements)来模拟层合结构(Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191)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。 Shell 99 ——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; Shell 91 ——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; Shell 181——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; Solid 46 ——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;

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框架结构分析

有限元分析大作业报告 一、结构形式及参数 1、结构基本参数 某框架结构如下图所示,为两榀、三跨七层框架。结构由梁板柱组成,梁板柱之间刚结。材料为C35混凝土,弹性模量为3.15e10N/m2,泊松比取0.25,质量密度为2500kg/m3,梁截面为300mm×700 mm,柱截面为500mm×500mm,楼板厚度为120mm。梁和柱采用beam44 单元,板采用shell 63单元。单位采用国际单位制。 二、静力分析及结果 1、荷载详情 荷载包括自重荷载,采用命令acel,0,0,9.8施加;以及垂直板面向下的均布恒荷载0.35 kN/m2和活荷载0.15 kN/m,两者合并后采用命令*do,mm,204,245,1 sfe,mm,2,pres,,500,500,500,500 *end do施加。 2、结构变形:最大变形发生在91号节点,数值为1.573mm,方向竖直向下(-Z方向)。

3、位移云图 4、等效应力云图:最大等效应力发生在78号节点,数值为175064Pa。

5、支座反力(保留两位小数,单位如表中所示) 节点编码FX(kN) FY(kN) FZ(kN) MX(kN﹒m) MY(kN﹒m) MZ(kN﹒m) 1 -3.87 5.33 514.15 -5.19 -3.74 0.00 2 -6.36 0.09 774.5 3 -0.12 -6.13 0.00 3 -6.36 -0.09 774.53 0.12 -6.13 0.00 4 -3.87 -5.33 514.1 5 5.19 -3.74 0.00 5 0.00 8.2 6 693.8 7 -8.00 0.00 0.00 6 0.00 0.06 107.28 -0.08 0.00 0.00 7 0.00 -0.06 107.28 0.08 0.00 0.00 8 0.00 -8.26 693.87 8.00 0.00 0.00 9 3.87 5.33 514.15 -5.19 3.74 0.00 10 6.36 0.09 774.53 -0.12 6.13 0.00 11 6.36 -0.09 774.53 0.12 6.13 0.00 12 3.87 -5.33 514.15 5.19 3.74 0.00 三、模态分析结果 1、各阶振型频率及类型 振型阶次自振频率(Hz)振动形式 1 1.838 2 弯曲振型 2 1.8627 弯曲振型 3 2.2773 扭转振型 4 5.6636 弯曲振型 5 5.7097 弯曲振型

ANSYS命令流学习笔记10-利用APDL在WorkBench中进行非线性屈曲分析

!ANSYS命令流学习笔记10-利用APDL在WorkBench中进行非线性屈曲分析 !学习重点: !1、强化非线性屈曲知识 首先了解屈曲问题。在理想化情况下,当F < Fcr时, 结构处于稳定平衡状态,若引入一个小的侧向扰动力,然后卸载, 结构将返回到它的初始位置。当F > Fcr时, 结构处于不稳定平衡状态, 任何扰动力将引起坍塌。当F = Fcr时,结构处于中性平衡状态,把这个力定义为临界载荷。在实际结构中, 几何缺陷的存在或力的扰动将决定载荷路径的方向。在实际结构中, 很难达到临界载荷,因为扰动和非线性行为, 低于临界载荷时结构通常变得不稳定。 要理解非线性屈曲分析,首先要了解特征值屈曲。特征值屈曲分析预测一个理想线弹性结构的理论屈曲强度,缺陷和非线性行为阻止大多数实际结构达到理想的弹性屈曲强度,特征值屈曲一般产生非保守解, 使用时应谨慎。 !理论解,根据Euler公式。其中μ取决于固定方式。 !有限元方法, 已知在特征值屈曲问题: 求解,即可得到临界载荷 而非线性屈曲问题: 其中为结构初始刚度,为有缺陷的结构刚度,为位移矩阵,为载荷矩阵。 非线性屈曲分析时考虑结构平衡受扰动(初始缺陷、载荷扰动)的非线性静力分析,该分析时一直加载到结构极限承载状态的全过程分析,分析中可以综合考虑材料塑性、几何非线性、接触、大变形。非线性屈曲比特征值屈曲更精确,因此推荐用于设计或结构的评价。 !2、熟悉WB中非线性屈曲分析流程 (1) 前处理,施加单元载荷,进行预应力静力分析。 (2) 基于预应力静力分析,指定分析类型为特征值屈曲分析,完成特征值屈曲分析。 (3) 在APDL模块将一阶特征屈曲模态位移乘以适当系数,将此变形后的形状当做非线性分析的初始模型。

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

用ANSYS进行桥梁结构分析

用ANSYS进行桥梁结构分析 谢宝来华龙海 引言:我院现在进行桥梁结构分析主要用桥梁博士和BSACS,这两种软件均以平面杆系为计算内核,多用来解决平面问题。近来偶然接触到ANSYS,发现其结构分析功能强大,现将一些研究心得写出来,并用一个很好的学习例子(空间钢管拱斜拉桥)作为引玉之砖,和同事们共同研究讨论,共同提高我院的桥梁结构分析水平而努力。 【摘要】本文从有限元的一些基本概念出发,重点介绍了有限元软件ANSYS平台的特点、使用方法和利用APDL语言快速进行桥梁的结构分析,最后通过工程实例来更近一步的介绍ANSYS进行结构分析的一般方法,同时进行归纳总结了各种单元类型的适用范围和桥梁结构分析最合适的单元类型。 【关键词】ANSYS有限元APDL结构桥梁工程单元类型 一、基本概念 有限元分析(FEA)是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素,即单元,就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。 真实系统有限元模型 自由度(DOFs)用于描述一个物理场的响应特性。

节点和单元 荷载 1、每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。 2、作为一个整体,单元形成了整体结构的数学模型。 3、信息是通过单元之间的公共节点传递的。 4、节点自由度是随连接该节点单元类型变化的。 单元形函数 1、FEA仅仅求解节点处的DOF值。 2、单元形函数是一种数学函数,规定了从节点DOF值到单元内所有点处DOF值的计算方法。 3、因此,单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形状”。 4、单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。 5、单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。 6、DOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解,但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。 7、这些平均意义上的典型解是从单元DOFs推导出来的(如,结构应力,热梯度)。 8、如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs,就不能很好地得到导出数据,因为这些导出数

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工程分析 基础与观念Chapter04

第4章 ANSYS结构分析的基本观念Basic Concepts for ANSYS Structural Analysis 这一章要介绍关于ANSYS结构分析的基本观念,熟悉这些基本观念有助于让你很快地区分你的工程问题的类别,然后依此选择适当的ANSYS分析工具。在第1节中我们会对分析领域(analysis fields)做一个介绍,如结构分析、热传分析等。第2节则对分析类别(analysis types)作一介绍,如静力分析、模态分析、或是瞬时分析等。第3节解释何谓线性分析,何谓非线性分析。第4节要对结构材料模式(material models)作一个讨论并作有系统的分类。第5节讨论结构材料破坏准则。第6、7节分别举两个实例,一个是结构动力分析,一个是非线性分析来总合前面的讨论。这两个例子再加上第3章介绍过的静力分析例子,这三个例子可以说是用来做为正式介绍ANSYS命令(第5、6、7章)之前的准备工作。最后(第8节)我们以两个简单的练习题做本章的结束。

第4.1节学科领域与元素类型 Disciplines and Element Types 4.1.1 学科领域(Disciplines) 我们之前提过,ANSYS提供了五大学科领域的分析能力:结傋分析、热传分析、流场分析、电场分析、磁场分析(电场分析及磁场分析可统称为电磁场分析),此外ANSYS也提供了偶合场分析(coupled-field analysis)的能力。为了能分析横跨多学科领域的偶合场,ANSYS提供了一些偶合场元素(coupled-field elements),但是这些元素还是无法涵盖所有偶合的可能性(举例来说,ANSYS 并没有流场与结构的偶合场元素)。但是在ANSYS的操作环境下,再加上利用APDL [Ref. 20],理论上可以进行各种偶合场分析(但是计算时间及收敛性常是问题所在)。下一小节将举几个例子来解说偶合场分析的含义,更详细的偶合场分析步骤你必须参阅Ref. 15。 4.1.2 偶合场分析 以下我们举三个例子来说明何谓偶合场分析。 第一个例子是热应力的计算,这是最常会遇到的问题之一。当你进行热应力分析时,通常分成两个阶段:先做热传分析解出温度分布后,再以温度分布作为结构负载来进行结构分析,而解出应力值。在第一个阶段,热边界条件(thermal boundary conditions)是热传分析的负载,我们希望知道在此热边界条件之下,温度是怎么分布的。因为不均匀的温度分布会造成结构的翘曲变形,所以第二个阶段是希望知道在这些温度分布下结构的变形及应力。这是一个很典型的偶合场分析问题,因为结构怎么变形是依温度怎么分布而定,而温度如何分布则与结构如何变形(变形量很大时,几何形状会改变)有关,这种相依的关系就称为偶合(coupling)。严格来说,前述的分析程序(先做热传分析再做结构分析)观念上不是很正确的,较正确的做法应该是热传与结构分析必须同时进行,也就是说温

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 非线性_结构分析

目录 非线性结构分析的定义 (1) 非线性行为的原因 (1) 非线性分析的重要信息 (3) 非线性分析中使用的命令 (8) 非线性分析步骤综述 (8) 第一步:建模 (9) 第二步:加载且得到解 (9) 第三步:考察结果 (16) 非线性分析例题(GUI方法) (20) 第一步:设置分析标题 (21) 第二步:定义单元类型 (21) 第三步:定义材料性质 (22) 第四步:定义双线性各向同性强化数据表 (22) 第五步:产生矩形 (22) 1

第六步:设置单元尺寸 (23) 第七步:划分网格 (23) 第八步:定义分析类型和选项 (23) 第九步:定义初始速度 (24) 第十步:施加约束 (24) 第十一步:设置载荷步选项 (24) 第十二步:求解 (25) 第十三步:确定柱体的应变 (25) 第十四步:画等值线 (26) 第十五步:用Post26定义变量 (26) 第十六步:计算随时间变化的速度 (26) 非线性分析例题(命令流方法) (27) 非线性结构分析 非线性结构的定义 在日常生活中,会经常遇到结构非线性。例如,无论何时用钉书针钉书,金 2

属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。(看图1─1(a))如果你在一个木架上放置重物,随着时间的迁移它将越来越下垂。(看图1─1(b))。当在 汽车或卡车上装货时,它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量的啬而变化。(看图1─1(c))如果将上面例子所载荷变形曲线画出来,你将发现它们都显示了非线性结构的基本特征--变化的结构刚性. 图1─1 非线性结构行为的普通例子 3

非线性行为的原因 引起结构非线性的原因很多,它可以被分成三种主要类型: 状态变化(包括接触) 许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如,一根只能拉伸的电缆可能是松散的,也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。状态改变也许和载荷直接有关(如在电缆情况中),也可能由某种外部原因引起(如在冻土中的紊乱热力学条件)。ANSYS程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。 接触是一种很普遍的非线性行为,接触是状态变化非线性类型形中一个特殊而重要的子集。 几何非线性 如果结构经受大变形,它变化的几何形状可能会引起结构的非线性地响应。一个例的垂向刚性)。随着垂向载荷的增加,杆不断弯曲以致于动力臂明显地减少,导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。 4

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。

Ansys复合材料结构分析操作指导书

Ansys10.0 复合材料结构分析操作指导书

第一章概述 复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成的一种多相固体材料,具有很高的比刚度和比强度(刚度和强度与密度的比值),因而应用相当广泛,其应用即涉及航空、航天等高科技领域,也包括游艇、风电叶片等诸多民用领域。由于复合材料结构复杂,材料性质特殊,对其结构进行分析需要借助数值模拟的方法,众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。 Ansys软件由美国ANSYS公司开发,是目前世界上唯一一款通过ISO9001质量体系认证的分析设计软件,有着近40年的发展历史,经过多次升级和收购其它CAE(Computer Aided Engineering )软件,目前已经发展成集结构力学、流体力学、电磁学、声学和热学分析于一体的大型通用有限元分析软件,是一款不可多得的工程分析软件。Ansys在做复合材料结构分析方面也有不俗的表现,此书将介绍如何使用该款软件进行复合材料结构分析。在开始之前有以下几点需要说明,希望大家能对有限元法有大体的认识,以及Ansys软件有哪些改进,最后给出一些学习Ansys软件的建议。 1、有限元分析方法应用简介 有限元法(Finite Element Method,简称FEM)是建立在严格数学分析理论上的一种数值分析方法。该方法的基本思想是离散化模型,将求解目标离散成有限个单元(Element),并在每个单元上指定有限个节点(Node),单元通过节点相 连构成整个有限元模型,用该模型代替实际结构进行结构分析。在对结构离散后,要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom),试想一下,节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动,也就是节点的自由度),节点位移通过求解一系列代数方程组得到,在求得节点位移后,利用节点位移和应力、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应力、应变,应用线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应力、应变等信息。 2、Ansys软件的发展近况 Ansys软件目前已发展到Ansys V12版本,从V10开始Ansys加入了一个新的工作环境Workbench,原先的Ansys被称为Ansys (classic),虽然操作界面不同,但两者的求解器是一样的。Ansys (classic)的前处理功能相对较弱(主要是建模方面),因而往往需要借助第三方软件,如CAD软件。也许是迫于另一个有限元分析软件ABQUS的竞争压力,Ansys推出了新的Workbench工作环境,Workbench在建模、划分网格、求解和后处理上都作了改进,尤其在建模和划分

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结构分析基本原理

1 应力-应变关系 本文将介绍结构分析中材料线性理论,在后续再介绍材料非线性的理论。在线弹性理论中应力-应变关系: (1) 其中: {σ}:应力分量,即在ANSYS软件里以S代替σ形式出现。 [D]:弹性矩阵或弹性刚度矩阵或应力-应变矩阵。利用(14)~(19)给出了其具体表达式。(4)给出了其逆矩阵的表达式。通过给出完整的[D]可以定义少数的各向异性单元。在ANSYS中利用命令:TB,ANEL来输入具体数值。 :弹性应变矢量。在ANSY中以EPEL形式输出。 {ε}:总的应变矢量,即 {εth}:热应变矢量,(3)给出了其定义式,在ANSYS中以EPTH形式给出。 注意: {εel}:是由应力引起的应变。 软件中的剪切应变( εxy、εyz和εxz)是工程应变,他们是拉伸应变的两倍。ε通常用来表示拉伸应变,但为了简化输出而采用此表示。将在材料的非线性分析中说明总应变的分量,以EPTO形式输出。 图1 单元的应力矢量图 如图1给出了单元应力矢量图。ANSYS程序中规定正应力和正应变拉伸是为正,压缩时为负。 (1)式还可以被写作以下形式:

(2) 三维情况下,热应变矢量为: (3) 其中: :方向的正割热膨胀系数。 ΔT=T-T ref T:问题中节点当前温度。 :参考温度也就是应变自由时的温度。用TREF或MP命令输入。 T ref 柔度矩阵的定义: (4) 其中: E x: 方向上的杨氏模量,在MP命令中用EX输入。 v xy:主泊松比,在MP命令中用PRXY输入。 :次泊松比,在MP命令中用NUXY输入。 v yx G : 平面上的剪切模量,在MP命令中用GXY输入。 xy 此外,[D]-1是对称矩阵,因此 (5)

-复合材料结构分析与成形原理

树脂基复合材料缠绕成型工艺的研究与应用 姓名:刘伟萍 (西北工业大学机电学院, 陕西西安710072) 摘要:随着我国航空事业的发展,先进材料方面的需求越来越急迫,复合材料各方面的 优秀性能使得它在飞机上的应用越来越广泛。现阶段我国在复合材料方面虽然取得了一 定进展,但在成型工艺方面与欧美等国家还存在一定差距。复合材料的成型工艺方法很 多,本文主要介绍了树脂复合材料缠绕成型工艺的特点、工艺流程、及现阶段还存在的 一些问题和相应的解决办法。 关键字:树脂基复合材料缠绕成型工艺流程 The Research and Application of Winding And Forming Process of Polymer Composites Abstract:With the development of Chinese aviation industry,the demand in the spects of advanced materials become more urgent.Because of the excellent properties of composites,it is applied more and more widely in the aircraft.Nowadays,China has made some progress in terms of composite materials ,But in terms of composites forming process,there is still a gap between China and westen developed countries like America and UN.There is A lot of methods in c omposites and winding forming process,this paper describes the characteristics、forming process of polimer composites,it also introduces some problems and corresponding solutions. Keyword:Polymer Composites Winding And Forming Process technological process 1 绪论 1.1复合材料的应用与研究 复合材料,是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料具有质量轻、比强度、比模量高,较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、耐高温、性能可设计性等特点,因此被大量用于航空航天等军事领域和民用领域,是制造飞机、火箭、航天飞行器等的理想材料。 在航空工业中,复合材料的应用越来越广泛,而且成为衡量飞机性能的重要参数。复合材料成型技术在应用过程中不断积累应用经验,提高技术水平, 完善

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