单元厚度复合材料

1、6.1 复合材料结构分析基本过程6.1.1 概述复合材料是由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，其主要优点是具有很高的比刚度(刚度与密度之比)。复合材料作为结构材料应用已有很长的历史。目前，复合材料的应用已非常普遍，其应用范围涉及航空、航天、军事、民用等诸多领域。ANSYS程序提供了一种特殊的单元、层单元来模拟复合材料，利用这些单元就可以进行任意的复合材料结构分析。复合材料结构分析也包括建模、加载求解及后处理3个基本步骤，其中加载求解及后处理基本同于一般的结构分析过程，建模部分具有其特殊性，下面主要对其建模部分进行详细讨论。6.1.2 建立复合材料模型与一

2、般的各向同性材料相比，复合材料的建模过程要相对复杂。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，所以在定义各层材料性能和方向时要特别注意。在本节中，主要探讨以下4个问题。1.选择适当的单元类型用于建立复合材料模型的单元有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186和SOLID191 7种单元。单元类型的选择主要根据具体的应用和所需计算的结果类型来确定。(1)SHELL99单元SHELL99是一种8节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。该类单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求结构宽厚比大于10。对于宽厚比小于

3、10的结构，则应考虑选择SOLID46单元建模。SHELL99允许有多达250层的等厚度材料层，或者是125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。如果材料层大于250，用户可通过输入自定义的材料矩阵来建立模型。SHELL99单元可进行失效分析。另外，该类型单元可以将单元节点偏置到结构的表层或底层。(2)SHELL91单元SHELL91和SHELL99相类似，只是它允许的复合材料最多有100层，而且用户不能输入自定义的材料性能矩阵。但是，SHELL91支持塑性、大应变行为以及具有一个特殊的“三明治”选项，而SHELL99则无此功能。另外，SHELL91更适用于大变形的情况。(3)SHE

4、LL181单元SHELL181单元是一种4节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。该单元具有包含大应变的完全的非线性性能，最多允许有255层的复合材料结构。各层的信息可通过横截面相关命令输入。(4)SOLSH190单元SOLSH190单元是一种4节点3D壳单元，每个节点有3个自由度。该单元具有包含大应变的完全的非线性性能，最多允许有255层的复合材料结构，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，各层的信息可通过横截面相关命令输入，可以使用FC命令输入失效准则。(5)SOLID46单元SOILD46单元是8节点3D实体单元SOLID45的一种叠层形式，它的每个节点有3个自由度。可以用来建立叠层壳或实体

5、的有限元模型，每个单元最多允许有250层的等厚度材料层，同样允许125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。该单元的另一个优点是可以用几个单元叠加的方式来对多于250层的复合材料建立模型，并允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，而且用户也可以输入自定义的本构矩阵。SOLID46单元有一个等效的横向刚度，允许在横向上存在非零应力、应变和位移。它可以指定失效准则。与8节点壳单元相比较，SOLID46单元的阶次要低。因此，在壳结构中要得到与SHELL91或SHELL99单元相同的求解结果，需要更大的网格密度。(6)SOLID186单元SOILD186单元是20节点3D实体单元，它的每个节点有

6、3个自由度。可以用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元最多允许有250层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，支持材料的非线性行为和大变形。(7)SOLID191单元SOILD191单元是20节点3D实体单元SOLID95的一种叠层形式，它的每个节点有3个自由度。可以用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元最多允许有100层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续。该单元有一选项允许材料横向上常应力的存在。SOLID191单元不支持材料的非线性行为和大变形。2.定义材料的叠层结构复合材料最重要的特征就是叠层结构，每层材料都可能由不同的正交各向异性材料构成，并且其主

7、轴方向也有可能不同。对于叠层复合材料，纤维的方向决定了层的主方向。下面两种方法可以定义材料层的配置：1)通过定义各层的材料性质。2)通过定义表征宏观力、力矩与宏观应变、曲率之间相互关系的本构矩阵(仅适用于SOLID46和SHELL99单元)这两种方法都通过单元实常数来保存层的信息，每个单元都通过其REAL属性来获得材料层的结构信息。(1)定义各层材料性质这种方法由下到上一层一层定义材料层的配置，底层为第一层，后续层沿单元坐标系的正Z轴方向自底向上叠加。如果叠层结构是对称的，SOLID46和SHELL99允许只定义一半的材料层。有时，某些层可能只延续到模型的一部分，为了建立连续的层，可以把这些中

8、断的层的厚度设置为0。图6.1所示为一个5层模型，其中第2层在某处中断。  通过如下命令定义材料层性质：Command：R、RMORE和RMODIFGUI：Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete所定义的材料层性质包括材料性质、层的定向角和层厚度。(2)定义本构矩阵这是定义各层材料性质的另一种方式，适用于SOLID46和SHELL99单元。该矩阵表征了单元力、力矩和应变、曲率的关系，必须在ANSYS外进行定义，可参阅ANSYS理论手册，这种方法的主要优点是：1)允许用户对聚合物基复合材料的性质进行合并。2)支持热载

9、荷向量。3)可表征层数无限制的材料。矩阵项通过实常数来定义，通过定义单元平均密度可以将质量影响考虑进去。如果使用这种方法，就无法得到每层材料的详细信息。(3)夹层(“三明治”)结构和多层结构夹层结构是由两个薄的面板和一个厚的但相对较软的夹心层(至少为总厚度的一半)构成，并假定夹心层承受了所有的横向剪切载荷，而面板则承受了所有的(或几乎所有的)弯曲载荷。图6.2所示为一夹层结构。  夹层结构可以用SHELL63、SHELL91或SHELL181单元来进行建模。SHELL63单元只能有1层，但可以通过实常数选项来模拟夹层结构，即通过修改有效弯曲惯性矩和中面到外层纤维的距离来考虑

10、夹心层的影响。SHELL91单元可用于夹层结构并允许面板和夹心具有不同的性质，将该单元的KEYOPT(9)设置为1即可激活“夹层”选项。SHELL181单元采用能量平衡方法描述结构的横向剪切变形，夹层选项在此便失去了意义。(4)节点偏置对于SHELL181单元而言，在定义横截面的过程中通过使用SECOFFSET命令设置节点;对于SHELL91和SHELL99单元而言，使用其节点设置选项KEYOPT(11)可将单元的节点设置在壳的底面、中面或顶面上。如果壳是由不同厚度的几部分构成的(台阶状)，则节点设置应遵循以下原则：1)若各部分壳的底面在同一平面上，则将单元节点设置到壳的底面上(参见图6.3a

11、所示)。2)若各部分壳的中面在同一平面上，则将单元节点设置到壳的中面上(参见图6.3b所示)。3)若各部分壳的顶面在同一平面上，则将单元节点设置到壳的顶面上(参见图6.3c所示)。  3.定义失效准则失效准则用于获知在所加载荷条件下，各层是否会失效。用户可以从3种已定义的失效准则中进行选择，也可以自定义多达6种的失效准则。以下是3种已定义的失效准则。1)最大应变失效准则;允许有9个失效应变。2)最大应力失效准则;允许有9个失效应力。3)Tsai-Wu失效准则;允许有9个失效应力和3个附加的耦合系数。定义失效准则的命令如下：(1)Command：FC(FCLIST、FCDEL

12、E)GUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralNonlinearInelasticNon-Metal PlasticityFailure CriteriaGUI：Main MenuGeneral PostprocFailure Criteria定义失效准则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定义失效准则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定义失效准则的过程中应注意以下事项：1)失效准则是正

14、交各向异性的，因此必须在所有的方向上定义失效应力或失效应变;2)如果不希望在某个特定的方向上检查失效应力或失效应变，则在该方向上定义一个较大的值。用户自定义失效准则可以通过用户子程序USRFC1USRFC6来定义，详情可参阅ANSYS用户手册。4.建模和后处理规则在复合材料的建模和后处理过程中应注意以下规则：1)复合材料会呈现出多种耦合效应，如弯扭耦合、拉弯耦合等，这是由于具有不同性质的材料层相互叠合而引起的。它所导致的结果是：如果材料层的叠合顺序是非对称的，即使模型的几何形状和载荷都是对称的，也不能按照对称条件求解，因为结构的位移和应力可能不对称。2)在模型自由边界上的层间剪切应力通常都是很

15、重要的，要得到这些部位相对精确的层间剪切应力，模型边界上的单元尺寸应约等于总的叠层厚度。对于壳单元而言，增加实际材料层数并不一定能提高层间剪切应力的求解精度。但是，对于SOLID46和SOLID191单元而言，沿厚度方向叠加单元会使得层间剪切应力的求解更为精确。壳单元的层间横向剪切应力的计算基于单元上下表面不承受应力的假设，这些层间剪切应力只在单元的中心处计算，而不是沿着单元边界，可以考虑使用子模型精确计算自由边的层间应力。3)由于复合材料结构的求解需要输入大量的数据，通常在求解之前要对这些数据进行检验，可通过以下命令实现： Command：ELISTGUI：Utility MenuListE

16、lements此命令功能为列表显示所有被选单元的节点和属性。 Command：EPLOTGUI：Utility MenuPlotElements此命令功能为图形显示所有被选单元。 Command：/PSYMB，LAYR，nGUI：Utility MenuPlotCtrlsSymbols在执行EPLOT命令之前执行该命令，可图形显示所选全部单元的第n层，它可以用于显示并检验整个模型的每一层。 Command：/PSYMB，ESYS，1GUI：Utility MenuPlotCtrlsSymbols在执行EPLOT命令之前执行该命令，可显示出那些默认单元坐标系被改变了的单元坐标系。 Command

17、：LAYLISTGUI：Utility MenuListElementsLayered Elements该命令可根据实常数列表显示层的叠加顺序和两种材料性能，还可以指定要显示层的范围。下面是使用该命令后的典型输出结果。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此命令功能为以卡片的形式显示图形的叠合顺序，如图6.4所示。各层会以不同的颜色和截面线显示。   Command：SECPLOTGUI：Main MenuProprocessorSectionsShellPlot Section此命令功能为以卡片的形式图形显示横截面上层的叠合顺序4)默认时，只有第1层(底层)的底面、最后一层(顶层)的顶面以及有最大失效值的层的结果数据被写入到结果文件，如果用户对所有层的结果数据都感兴趣，则应将单元的第8个关键字选项KEYOPT(8)设置为1，但这样可能会导致结果文件很大。5)可以用ESEL，S，LAYER命令来选择特定层号的