ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析

1、! 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orthotrop

2、ic，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（solid

3、185, 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

4、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

5、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 失效准则用于获知在所加载荷下，各层是否失效。用户可从三种预定义好了的失效准则中选择失效准则，或者自定义多达六种的失效准则。三种预定义失效准则是： 最大应变失效准则，它允许有九个失效应变； 最大应力失效准则，它允许有九个失效应力； Tsai-Wu失效准则，它允许有九个失效应力和三个附加的耦合系数，类似Von Mises

6、应力将拉压状态综合考虑。失效准则还有Tsai-Hill，Hashin，Puck，LaRC，Cuntze，Face Sheet Wrinkling，Core Failure，Hoffman等，需要根据场合需要选择分析，以后有机会详细展开。!4、 ACP分析结果与APDL分析结果的对比 本例子采用ACP进行分析时，发现与APDL分析结果不同，不知道什么原因。有可能是铺层问题，也有可能是单位问题。但是并没有找出问题所在，尴尬。如有高手，请评论区留言。ACP铺层非常直观，而APDL铺层不容易分辨。以后要使ACP和APDL结果一致，懂得其原理之后，尽量使用ACP进行处理。!5、 APDL分析步骤(1)

7、定义各向异性材料，包括各向弹性模量、泊松比、剪切模量，应力失效参数，应变失效参数。(2) 铺层。 (3) 建立模型，施加边界条件(4) 定义求解条件。(5) 求解。(6) 后处理查看各层应力位移结果，查看危险系数。!问题描述! 一个长方形层合板，长0.05m，宽0.02m，每层厚度5e-4m，共6层，铺层角度为0，-30,30，-45,45,0。力F=10N。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

8、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。!APDL命令：finish/clear/title, composite/prep7et,1,shell181 !选择单元181keyopt,1,8,1 !保存每一层的数据mptemp,1

9、,0 mpdata,ex,1,195e9 mpdata,ey,1,35e9 mpdata,ez,1,35e9 mpdata,prxy,1,0.28mpdata,pryz,1,0.3 mpdata,prxz,1,0.3 mpdata,gxy,1,15e9 mpdata,gyz,1,3.78e9mpdata,gxz,1,15e9 !定义各向同性材料fc,1,s,xten,767e6fc,1,s,yten,20e6fc,1,s,zten,30e6fc,1,s,xcmp,-392e6 fc,1,s,ycmp,-70e6 fc,1,s,zcmp,-55e6 fc,1,s,xy,41e6 fc,1,s,y

10、z,30e6 fc,1,s,xz,41e6 !定义应力失效准则fc,1,epel,xten,0.05 fc,1,epel,yten,0.08 fc,1,epel,zten,0.04 fc,1,epel,xcmp,-0.045 fc,1,epel,ycmp,-0.06fc,1,epel,zcmp,-0.045 fc,1,epel,xy,0.035 fc,1,epel,yz,0.042 fc,1,epel,xz,0.025 !定义应变失效准则!用到Tasi-Wu失效准则还需定义应力耦合系数，默认为-1，-1，-1。实际值需要通过双轴试验测定，较难得到。sectype,1,shell, !secty

11、pe, secID,type,subtype,name,refinekey,定义截面类型secdata, 5e-4,1,0,3 !积分点为3个secdata, 5e-4,1,-30,3 secdata, 5e-4,1,30,3secdata, 5e-4,1,-45,3 secdata, 5e-4,1,45,3secdata, 5e-4,1,0,3 !定义铺层secplot,1 !查看ID为1的sectionk,1,k,2,0.05,0,0k,3,0.05,0.02,0K,4,0,0.02,0a,1,2,3,4aesize,all,0.002mshape,0,2dmshkey,1amesh,all !建模划分网格nsel,s,loc,x,0d,all,allallselnsel,s,loc,y,0f,all,fy,-10allsel !施加载荷finish !#-/solusolvefinish