單元厚度復合材料

1、6.1 復合材料結構分析基本過程6.1.1 概述復合材料是由兩種或兩種以上物理或化學性質不同的材料復合在一起而形成的一種多相固體材料，其主要優(yōu)點是具有很高的比剛度(剛度與密度之比)。復合材料作為結構材料應用已有很長的歷史。目前，復合材料的應用已非常普遍，其應用范圍涉及航空、航天、軍事、民用等諸多領域。ANSYS程序提供了一種特殊的單元、層單元來模擬復合材料，利用這些單元就可以進行任意的復合材料結構分析。復合材料結構分析也包括建模、加載求解及后處理3個基本步驟，其中加載求解及后處理基本同于一般的結構分析過程，建模部分具有其特殊性，下面主要對其建模部分進行詳細討論。6.1.2 建立復合材料模型與一

2、般的各向同性材料相比，復合材料的建模過程要相對復雜。由于各層材料性能為任意正交各向異性，材料性能與材料主軸取向有關，所以在定義各層材料性能和方向時要特別注意。在本節(jié)中，主要探討以下4個問題。1.選擇適當的單元類型用于建立復合材料模型的單元有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186和SOLID191 7種單元。單元類型的選擇主要根據具體的應用和所需計算的結果類型來確定。(1)SHELL99單元SHELL99是一種8節(jié)點3D殼單元，每個節(jié)點有6個自由度。該類單元主要適用于薄到中等厚度的板和殼結構，一般要求結構寬厚比大于10。對于寬厚比小于

3、10的結構，則應考慮選擇SOLID46單元建模。SHELL99允許有多達250層的等厚度材料層，或者是125層的厚度在單元面內成雙線性變化的不等厚度材料層。如果材料層大于250，用戶可通過輸入自定義的材料矩陣來建立模型。SHELL99單元可進行失效分析。另外，該類型單元可以將單元節(jié)點偏置到結構的表層或底層。(2)SHELL91單元SHELL91和SHELL99相類似，只是它允許的復合材料最多有100層，而且用戶不能輸入自定義的材料性能矩陣。但是，SHELL91支持塑性、大應變行為以及具有一個特殊的“三明治”選項，而SHELL99則無此功能。另外，SHELL91更適用于大變形的情況。(3)SHE

4、LL181單元SHELL181單元是一種4節(jié)點3D殼單元，每個節(jié)點有6個自由度。該單元具有包含大應變的完全的非線性性能，最多允許有255層的復合材料結構。各層的信息可通過橫截面相關命令輸入。(4)SOLSH190單元SOLSH190單元是一種4節(jié)點3D殼單元，每個節(jié)點有3個自由度。該單元具有包含大應變的完全的非線性性能，最多允許有255層的復合材料結構，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)，各層的信息可通過橫截面相關命令輸入，可以使用FC命令輸入失效準則。(5)SOLID46單元SOILD46單元是8節(jié)點3D實體單元SOLID45的一種疊層形式，它的每個節(jié)點有3個自由度。可以用來建立疊層殼或實體

5、的有限元模型，每個單元最多允許有250層的等厚度材料層，同樣允許125層的厚度在單元面內成雙線性變化的不等厚度材料層。該單元的另一個優(yōu)點是可以用幾個單元疊加的方式來對多于250層的復合材料建立模型，并允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)，而且用戶也可以輸入自定義的本構矩陣。SOLID46單元有一個等效的橫向剛度，允許在橫向上存在非零應力、應變和位移。它可以指定失效準則。與8節(jié)點殼單元相比較，SOLID46單元的階次要低。因此，在殼結構中要得到與SHELL91或SHELL99單元相同的求解結果，需要更大的網格密度。(6)SOLID186單元SOILD186單元是20節(jié)點3D實體單元，它的每個節(jié)點有

6、3個自由度?？梢杂脕斫B層殼或實體的有限元模型，每個單元最多允許有250層的等厚度材料層，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)，支持材料的非線性行為和大變形。(7)SOLID191單元SOILD191單元是20節(jié)點3D實體單元SOLID95的一種疊層形式，它的每個節(jié)點有3個自由度?？梢杂脕斫B層殼或實體的有限元模型，每個單元最多允許有100層的等厚度材料層，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)。該單元有一選項允許材料橫向上常應力的存在。SOLID191單元不支持材料的非線性行為和大變形。2.定義材料的疊層結構復合材料最重要的特征就是疊層結構，每層材料都可能由不同的正交各向異性材料構成，并且其主

7、軸方向也有可能不同。對于疊層復合材料，纖維的方向決定了層的主方向。下面兩種方法可以定義材料層的配置：1)通過定義各層的材料性質。2)通過定義表征宏觀力、力矩與宏觀應變、曲率之間相互關系的本構矩陣(僅適用于SOLID46和SHELL99單元)這兩種方法都通過單元實常數來保存層的信息，每個單元都通過其REAL屬性來獲得材料層的結構信息。(1)定義各層材料性質這種方法由下到上一層一層定義材料層的配置，底層為第一層，后續(xù)層沿單元坐標系的正Z軸方向自底向上疊加。如果疊層結構是對稱的，SOLID46和SHELL99允許只定義一半的材料層。有時，某些層可能只延續(xù)到模型的一部分，為了建立連續(xù)的層，可以把這些中

8、斷的層的厚度設置為0。圖6.1所示為一個5層模型，其中第2層在某處中斷。  通過如下命令定義材料層性質：Command：R、RMORE和RMODIFGUI：Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete所定義的材料層性質包括材料性質、層的定向角和層厚度。(2)定義本構矩陣這是定義各層材料性質的另一種方式，適用于SOLID46和SHELL99單元。該矩陣表征了單元力、力矩和應變、曲率的關系，必須在ANSYS外進行定義，可參閱ANSYS理論手冊，這種方法的主要優(yōu)點是：1)允許用戶對聚合物基復合材料的性質進行合并。2)支持熱載

9、荷向量。3)可表征層數無限制的材料。矩陣項通過實常數來定義，通過定義單元平均密度可以將質量影響考慮進去。如果使用這種方法，就無法得到每層材料的詳細信息。(3)夾層(“三明治”)結構和多層結構夾層結構是由兩個薄的面板和一個厚的但相對較軟的夾心層(至少為總厚度的一半)構成，并假定夾心層承受了所有的橫向剪切載荷，而面板則承受了所有的(或幾乎所有的)彎曲載荷。圖6.2所示為一夾層結構。  夾層結構可以用SHELL63、SHELL91或SHELL181單元來進行建模。SHELL63單元只能有1層，但可以通過實常數選項來模擬夾層結構，即通過修改有效彎曲慣性矩和中面到外層纖維的距離來考慮

10、夾心層的影響。SHELL91單元可用于夾層結構并允許面板和夾心具有不同的性質，將該單元的KEYOPT(9)設置為1即可激活“夾層”選項。SHELL181單元采用能量平衡方法描述結構的橫向剪切變形，夾層選項在此便失去了意義。(4)節(jié)點偏置對于SHELL181單元而言，在定義橫截面的過程中通過使用SECOFFSET命令設置節(jié)點;對于SHELL91和SHELL99單元而言，使用其節(jié)點設置選項KEYOPT(11)可將單元的節(jié)點設置在殼的底面、中面或頂面上。如果殼是由不同厚度的幾部分構成的(臺階狀)，則節(jié)點設置應遵循以下原則：1)若各部分殼的底面在同一平面上，則將單元節(jié)點設置到殼的底面上(參見圖6.3a

11、所示)。2)若各部分殼的中面在同一平面上，則將單元節(jié)點設置到殼的中面上(參見圖6.3b所示)。3)若各部分殼的頂面在同一平面上，則將單元節(jié)點設置到殼的頂面上(參見圖6.3c所示)。  3.定義失效準則失效準則用于獲知在所加載荷條件下，各層是否會失效。用戶可以從3種已定義的失效準則中進行選擇，也可以自定義多達6種的失效準則。以下是3種已定義的失效準則。1)最大應變失效準則;允許有9個失效應變。2)最大應力失效準則;允許有9個失效應力。3)Tsai-Wu失效準則;允許有9個失效應力和3個附加的耦合系數。定義失效準則的命令如下：(1)Command：FC(FCLIST、FCDEL

12、E)GUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralNonlinearInelasticNon-Metal PlasticityFailure CriteriaGUI：Main MenuGeneral PostprocFailure Criteria定義失效準則的典型的命令流如下：FC，1，TEMP，100，200FC，1，S，XTEN，1500，1200FC，1，S，YTEN，400，500FC，1，S，ZTEN，10000，8000FC，1，S，XY ，200，200FC，1，S，YZ ，10000，8000F

13、C，1，S，XZ ，10000，8000FCLIST，100FCLIST，150FCLIST，200PRNSOL，S，FAIL(2)Command：TB、TBTEMP、TBDATAGUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsFailure Criteria定義失效準則的典型的命令流如下：TB，FAIL，1，2TBTEMP，CRITTBDATA，2，1TBTEMP，100TBDATA，10，1500，400，10000TBDATA，16，200，10000，10000TBLISTTBTEMP，200TBDATA定義失效準則的過程中應注意以下事項：1)失效準則是正

14、交各向異性的，因此必須在所有的方向上定義失效應力或失效應變;2)如果不希望在某個特定的方向上檢查失效應力或失效應變，則在該方向上定義一個較大的值。用戶自定義失效準則可以通過用戶子程序USRFC1USRFC6來定義，詳情可參閱ANSYS用戶手冊。4.建模和后處理規(guī)則在復合材料的建模和后處理過程中應注意以下規(guī)則：1)復合材料會呈現出多種耦合效應，如彎扭耦合、拉彎耦合等，這是由于具有不同性質的材料層相互疊合而引起的。它所導致的結果是：如果材料層的疊合順序是非對稱的，即使模型的幾何形狀和載荷都是對稱的，也不能按照對稱條件求解，因為結構的位移和應力可能不對稱。2)在模型自由邊界上的層間剪切應力通常都是很

15、重要的，要得到這些部位相對精確的層間剪切應力，模型邊界上的單元尺寸應約等于總的疊層厚度。對于殼單元而言，增加實際材料層數并不一定能提高層間剪切應力的求解精度。但是，對于SOLID46和SOLID191單元而言，沿厚度方向疊加單元會使得層間剪切應力的求解更為精確。殼單元的層間橫向剪切應力的計算基于單元上下表面不承受應力的假設，這些層間剪切應力只在單元的中心處計算，而不是沿著單元邊界，可以考慮使用子模型精確計算自由邊的層間應力。3)由于復合材料結構的求解需要輸入大量的數據，通常在求解之前要對這些數據進行檢驗，可通過以下命令實現： Command：ELISTGUI：Utility MenuListE

16、lements此命令功能為列表顯示所有被選單元的節(jié)點和屬性。 Command：EPLOTGUI：Utility MenuPlotElements此命令功能為圖形顯示所有被選單元。 Command：/PSYMB，LAYR，nGUI：Utility MenuPlotCtrlsSymbols在執(zhí)行EPLOT命令之前執(zhí)行該命令，可圖形顯示所選全部單元的第n層，它可以用于顯示并檢驗整個模型的每一層。 Command：/PSYMB，ESYS，1GUI：Utility MenuPlotCtrlsSymbols在執(zhí)行EPLOT命令之前執(zhí)行該命令，可顯示出那些默認單元坐標系被改變了的單元坐標系。 Command

17、：LAYLISTGUI：Utility MenuListElementsLayered Elements該命令可根據實常數列表顯示層的疊加順序和兩種材料性能，還可以指定要顯示層的范圍。下面是使用該命令后的典型輸出結果。LIST LAYERS 1 TO 4 IN REAL SET 1 FOR ELEMENT TYPE 1TOTAL LAYERS = 4 LSYM = 1 LP1 = 0 LP2 = 0 EFS = .000E+00NO. ANGLE THICKNESS MAT- - - - - -1 45.0 0.250 12 -45.0 0.250 23 -45.0 0.250 24 45.0

18、 0.250 1- - -SUM OF THK 1.00 Command：LAYPLOTGUI：Utility MenuPlotLayered Elements此命令功能為以卡片的形式顯示圖形的疊合順序，如圖6.4所示。各層會以不同的顏色和截面線顯示。   Command：SECPLOTGUI：Main MenuProprocessorSectionsShellPlot Section此命令功能為以卡片的形式圖形顯示橫截面上層的疊合順序4)默認時，只有第1層(底層)的底面、最后一層(頂層)的頂面以及有最大失效值的層的結果數據被寫入到結果文件，如果用戶對所有層的結果數據都感興趣，則應將單元的第8個關鍵字選項KEYOPT(8)設置為1，但這樣可能會導致結果文件很大。5)可以用ESEL，S，LAYER命令來選擇特定層號的