机械 2006年第12期 总第33卷 计算机应用技术 ·47· ANSYS在复合材料应力分析中的应用 李涛，樊庆文 (四川大学 制造科学与工程学院，四川，成都 610065) 摘要：介绍了ANSYS在复合材料分析中的应用，以及选用分析单元的原则，分析表明复合材料的结构几何特征改变对复合材料应力分布有极大影响，ANSYS 提供了一种可行方法设计性能优良的复合材料。 关键词：ANSYS；复合材料；应力分布 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006－0316（2006）12－0047－02 Application in composite material stress base on ANSYS LI Tao，FAN Qing-wen (School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China) Abstract：The paper introduces that ANSYS soft using in composite material stress,It is shows that if composte material structure change that stress of composite change greatly, anasys provide a method for devise exellent composite material. Key words：ANSYS；composite material；stress distribution 复合材料具有重量轻，强度和刚度高，抗疲劳强度高，抗震能力强，结构的可设计性和加工工艺良好等优点，使其在航天航空、汽车、造船等各个领域得到了日益广泛的应用。复合材料的连接在传递载荷时，情况较为复杂，涉及复杂的弹（塑）性理论和数学计算，要通过求高阶偏微分方程组才能得出结果，只有少数简单结构才能求地精确结果。 由于有限元数值模拟技术具有试验方法和理论解析无以伦比的优势，已经成为研究结构行为的重要方法，ANSYS有限元分析软件在结构分析中因其强大的功能，操作简单得到了广泛的应用。本文介绍了如何有效地应用ANSYS的具体功能，进行复合材料的力学仿真。 ①建立结构的有限元模型；②施加载荷和边界条件，求解；③结果评价和分析。 （3）复合材料的分析关键是正确建立有限元模型。有限元模型shell99线型层合结构壳单元，适用8节点，3D壳单元，每个节点6DOF，模拟中、厚板。（宽/厚≥10），线性材料，最多可模拟250层板。模型SHELL91非线性层合结构壳单元，8节点，3D实体单元，每个节点6DOF，非线性材料，最多可模拟100层。模型SHELL181有限应变壳结构，4节点，3D壳单元，每个节点6DOF，模拟薄板中厚板(宽/厚≥10)，最多可模拟255层。模型SOLID46 3D层合结构实体单元8节点，3D实体单元，每个节点3DOF，模拟层合厚板、层合实体，最多可模拟250层。模型SHELL模型SOLID46层合结构实体单元20节点，3D实体单元，每个节点3DOF，模拟层合厚板、层合实体，最多可模拟250层。其他可供选择的还有SHELL63，SOLID65，SOLID95，BEAM188，BEAM1。 1 复合材料的建模 （1）复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等经过复合工艺而制备的多相材料。在受到载荷作用时，由于复合材料不同材料之间力学性能不同，互相影响，它的力学性能得到了优化，优于单一材料的力学性能。 （2）应用ANSYS软件的过程一般分为3步：——————————————— 收稿日期：2006－08－02 2 复合材料应力分析实例 一尺寸为0.4×0.4m的方形四层积层板，四周约·48· 计算机应用技术 机械 2006年第12期 总第33卷 束固定，在扳子的节点上施以Z方向100 N的集中力。使用SI单位的碳纤维(GR70%-EPOXY30%)的复合材料。 该复合参数如下： LX=0.4 m Ly=0.4 m Lz=0.001 m×4层 Ex=108×109 N/m2 EY=EZ=10.3×109 N/m2 GXY=GYX=GXZ=7.17×109 N/m2 PRXY=PRYZ=PRXZ=0.28 Fz=100 N 图3复合板的应力图 可以看出应力在复合板中呈扩散，均匀分布 当把常系数改变时改变各层的方向，如图4所示。 2.1 建立有限元模型. 选用SHELL99，由于该单元引入层间剪力，所以提供了一种比经典板理论更为精确的计算结果。分别为各层材料的材料编号、角度参数与厚度等数据，实例常量如图1。 所示。 图4 常系数改变时改变各层的方向 再次重复上次分析步骤，得出应力图，如图5 图5 应力图 图1 实例常量 从图5中可以看出，应力分布呈水平方向分布，并在垂直方向迅速衰减，应力呈现明显的各向异向。对比两次应力图的变化，可以看出，复合材料的结合方向对材料的应力分布有很大影响。 设置材料属性、 杨氏弹性模量、剪弹性模量和泊松比并进行划分网格后得到如图2所示的有限元模型。 3 结束语 ANSYS的使用，使复合材料应力分析简单，方便，对开发新的材料提够了一条方便快捷的途径， 图2 有限元模型 并且在材料未生产出来，就可以预测出力学性能，节约了实验成本，缩短了试验周期。 2.2 施加载荷和边界条件 在板子的四周施加固定约束，在板子节点上施加100 N力，方向与Fz相反。 参考文献： [1]王庆五. ANSYS10.0机械设计高级应用实例[M]. 北京：机械工业出版社. [2]易日. 使用ANSYS6.0 进行静力学分析[M]. 北京：北京大学出版社. [3]洪庆章. ANSYS教学范例[M]. 北京：中国铁道出版社. [4]龚曙光. ANSYS工程应用实例解析. 北京：机械工业出版社. [5]王国强. 实用工程数值模拟技术极其在ANSYS上的实践[M]. 西安：西北工业大学出版社. 2.3 输出结果和分析 选择Main Menu:General Postproc>contour plot>nodal solu，输出复合板的应力图。如图3所示。
