基于ANSYS的复合材料力学分析(1)：分析要点全掌握

引言

复合材料 是由两种或两种以上力学性能不同的材料复合在一起而形成的一种固体材料，其主要优点是具有很高的比刚度(刚度与密度之比)。目前，复合材料已广泛应用于航空、航天、军事、民用等诸多领域。

ANSYS 软件提供了一种分层单元来模拟复合材料，利用这些单元就可以进行静力、模态、谐响应、瞬态动力、反应谱和随机振动等分析。本文主要对ANSYS的复合材料分析功能进行介绍。

分析过程

ANSYS进行复合材料力学分析过程和普通的力学分析并无明显的区别，核心区别在于，复合材料的力学分析要求特殊的单元类型、材料分层的定义、以及对应的失效准则定义。流程如下图所示。

单元类型

ANSYS APDL中进行复合材料力学分析的单元类型主要分为壳单元(Shell181 和Shell281)、实体单元(Solid185 和Solid186)和实体壳单元(Solsh190 )三种类型，具体使用说明如下表所示。

层合板材料的使用较为普遍，ANSYS中一般用Shell181单元模拟层合板，使用过程中应注意如下问题：

• 单元的keyopt1应设置为0，即表示单元同时有拉伸和弯曲刚度；
• 单元的keyopt3应设置为2，即完全积分，如果遇到剪切自锁问题，可设置为0，即减缩积分；
• 单元的keyopt8应设置为2，即每一层材料的bottom、mid和top结果均存储；

定义材料

在ANSYS中，线弹性正交各向异性材料 一共有10个参数，即Ex、Ey、Ez、μxy、μyz、μxz、Gxy、Gyz、Gxz、ρ，前9个参数的取值应满足《复合材料力学介绍(3)》中讲到的条件，定义材料的命令流如下图所示。对于非线性材料，则应加入TB命令设置材料的非线性项。

定义分层

和普通金属材料最大的不同点在于，复合材料是分层的，且每层的材料参数均不一致，一般情况下，每层由不同主方向的正交各向异性材料组成。ANSYS中单层正交各向异性材料的定义应注意如下几点：

• 单元坐标系(ESYS)的Z轴正方向由bottom层指向top层，铺层顺序由bottom层向top层，bottom层为第1层，逐层累加到top层，如果为对称铺层，则只需要定义一半的铺层材料即可；
• 对于有过度层的情况，可将对应层的厚度取0，即secdata命令中的TK参数；

• 9个材料参数的方向参考单元坐标系+X方向，通过secdata命令中的theta参数定义，theta的转动正方向和单元坐标系+Z轴一致；对于纤维复合材料，一般可以用材料参数Ex的方向表示纤维的方向，Ey的方向表示面内垂直纤维的方向；

• 单层材料的厚度通过secdata命令中的mat参数定义；
• 对于三明治模型 ，即上下板厚相对中间层板厚较小，可以用Shell181单元和Shell281单元模拟，可分为三层结构；横向剪切效应是基于能量等效的观点考虑；

最后

本文主要介绍了ANSYS复合材料力学分析的单元类型、材料定义和分层定义，下文将继续讨论ANSYS中的复合材料失效准则以及基于APDL的分析算例。

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