滑板复合材料力学仿真

1、ANSYS 教学算例集滑板的复合材料力学仿真（ACP）撰写：审核：校对：2021 年 8 月 23 日 Copyright目 录关键字：滑板ACP 前后处理模块 复合材料铺层 静力分析算例来源：ANSYS1.摘要11.11.2问题描述1问题分析12.ACP 前处理22.12.22.32.4建立分析系统2导入模型2定义材料属性3划分网格63.ACP 铺层前处理93.1材料设置93.2铺层133.2.13.2.23.2.3创建Rosette13创建Oriented Selection Set15进行基准板的铺层154.静力分析模块184.14.24.34.4创建静力分析18施加约束和荷载19求解2

2、0查看整移结果205.ACP 后处理215.15.25.35.45.5建立ACP 后处理模块21查看求解结果23查看变形24创建失效准则24查看应力251.摘要复合材料是一大类新型材料，其强度高，刚度大，质量轻，并具有抗疲劳、减震、耐高温、可设计等一系列优点，近 40 年来，在航空航天、能源、交通、建筑、机械、信息、生物、医学、和体育等工程和部门日益得到广泛的应用。在复合材料强度分析方面，有很多可以进行复合材料进行分析的有限元，这为复合材料的发展提供了良好的基础，本算例主要对滑板进行复合材料铺层和力学分析。1.1问题描述滑板，采用复合材料铺层，计算在受到扭转的时候损坏状态。图1 滑板1.2问题

3、分析采用workbench 中的ACP（Pre）模块进行复合材料铺层，在静力模块中进行计算，在ACP（t）模块中进行的应力观察，同时，根据失效准则进行验算。2.ACP 前处理2.1建立分析系统建立ACP 前处理分析系统，项目命名为【ACP（Pre）】，如下图所示。图2 建立分析系统2.2导入模型右击【Geometry】-【Import Geometry】-【Browse】，导入 KITE_BOARD.x_t文件，右击【Geometry】进入 DM 中生成模型。先选择 Units 为 mm，右击 Import1选择Generate，生成了 6 个Part，按住 Ctrl 依次选中六个Surfac

4、e Body，右键图形区，选择 FormNewPart，生成一个 Part。然后保存工程并关闭 DesignMer。图3 生成模型2.3定义材料属性在 Workbench 主界面中，双击【Engineering Data】进入材料定义界面，在【Contentsof Engineering Data】下添加新的材料名称为【Epoxy Carbon】，。图4 新建材料在左侧树状流程图中选择【Toolbox】-【Linear Elastic】-【Orthotropic Elasticiity】，将其拖曳到新建的【Epoxy Carbon】中，输入参数如下图。图5 各向异性材料属性同理，拖曳【Ply

5、Type】，【Orthotropic Stress Limits】，【Orthotropic Strain Limits】，到新建的材料中，【Ply Type】为【Regular】，其他各项参数。图6 Orthotropic Stress Limits 参数图7 Orthotropic Strain Limits 参数拖曳【Puck Constants】到【Epoxy Carbon】中，选择【Material Classification】为【Carbon】，其余选项为默认设置。图8 Puck Constants 参数【Epoxy Carbon】材料定义完毕，再新建一个材料名称为【Core】，

6、拖曳【Orthotropic Elasticity】，【Orthotropic Stress Limits】，【Ply Type】到【Core】中，各项参数。图9 Orthotropic Elasticity 参数图10 Orthotropic Stress Limits 参数【Ply Type】选择【Orthotropic Homogenous Core】材料定义完毕，返回 Workbench 主界面。2.4划分网格双击【M】进入Mechanical，在左侧树状流程图中选择【M（A4）】-【Geometry】-【Part】，按住Ctrl 依次选择【Part】下的 7 个面，指定模型的厚度为

7、1mm，材料为Epoxy Carbon。图11模型细节设置在左侧树状流程图中选择【MA4）】-【Geometry】-【Mesh】，右击【Insert】-【Sizing】，用选择体的方式，选择所有的Bodies，单元尺寸设置为 10mm。右击【Mesh】-【Generate Mesh】，生成网格，生成的网格。图12网格尺寸设置图13 网格效果划分网格后退出Mechanical。在开始铺层前，导入由CAD 生成的层坐标。在左侧Toolbox 中选中【Geometry】，拖曳到 ACP（Pre）的左侧，右键【Geometry】选择【Import Geometry】，选择kite_board_core

8、.stp，右键【Geometry】选择进入DesignMer，点击左侧树状流程图中的【Import1】，单击【Generate】生成坐标。图14层网格返回workbench 主界面，拖曳Geometry 中的【Geometry】到ACP（Pre）中的Setup 中，。图15 导入坐标操作完成后点击左上角的保存进行存盘（注意：此步不进行有可能打不开 ACP模块）3.ACP 铺层前处理3.1材料设置双击 Workbench 主界面中的 A5【Setup】，进入 ACP 模块进行铺层，界面如图所示。选择为MPA。图16 ACP 界面在左侧树形流程图中选择【ACP M】-【Materials Data

9、】-【Materials】，依次选择下面的两个材料【Epoxy Carbon】和【Core】，右键单击选择【Update】进行更新。图17 更新材料在左侧树形流程图中选择【ACP M】-【Materials Data】-【Fabrics】，右键选择【Create Fabric】，在 Fabric Properties 中进行设置，Name 为Fabric.Epoxy CarbonUD.02mm，材料选择为Epoxy Carbon，厚度为 0.2，。图18 碳材料设置同理，再新建一个15.2。，Name 为Fabric.Core.15.2mm，材料选择Core，厚度为图19 粘合设置采用同样的方

10、法进行更新。叠层是一个预先可以设置的集合，使用的方向。叠层可以减少先创建一个在铺层阶段使用的层数，并且可以方便修改叠层。在左侧流程树中选择【Material Data】-【Stackups】，右键选择【Create Stackup】，在Stackup 参数中进行设置。命名为【Stackup.-45.0.45】，Symmetry 选择【NoSymmetry】，Layup Sequence 选择【Top-Down】，选择Fabric.Epoxy CarbonUD.02mm，方向为-45 ，0 ，45。图20 Stackup 设置ysis 可以看到定义的在Stackup 中选择叠层的力学参数。图21

11、叠层的力学性能3.2铺层3.2.1创建Rosette在Rosette 设置中，设置的 X 轴方向为0 度方向，在左侧树形流程图中选择【ACP M】-【Rosettes】，右键选择【Create Rosette】，细节和坐标。图22 Rosette1 细节设置图23 Rosette13.2.2创建 Oriented Selection Set在左侧树形流程图中选择【ACP M】-【Oriented Selection Sets】，右键选择【Create Oriented Selection Set】，进入Oriented Selection Set Properties 细节窗口，在Elemen

12、t Sets 中选择【All_Elements】，Direction 中为（0，0，1），Rosettes 中选择Rosette.1，具体设置。图24 OrientedSelectionSet.1 细节设置3.2.3进行滑板的铺层在左侧树形流程图中选择【ACP M】-【Ming Groups】，右键选择【CreateMing Group】，将其命名为【MingPly.1】，此时，在【Ming Groups】下ing PlyProperties出现【MingPly.1】，右键单击选择【Create Ply】，创建铺层，在 M细节窗口中进行设置，其中Oriented Selection Sets

13、选择【Oriented Selection Sets.1】，Ply Material 选择【Stackup.-45.0.45】，Pl击Apply 如图。le 选择 0 度，其余选择默认设置，单图25层此时会在左侧树状流程图中出现三个层。图26 模型铺层图再新建一个【MingPly.2】，其中 Oriented Selection Sets 选择【OrientedSelection Sets.1】，Ply Material 选择【Fabric.Core.15.2mm】，Pl其余选择默认设置，单击Apply 如图。le 选择 0 度，图27层再次创建【MingPly.3】细节设置同【MingPly

14、.1】。图28层创建SectionCut 可以看到得到的铺层。图29 铺层结果4.静力分析模块4.1创建静力分析在左侧Toolbox 中选择Sic Structural，连接ACP（Pre）中的Setup 到新建的Sic Structural 中，选择【select Transfer SComite Data】，这样 ACP（Pre）。选择【M】进行 Update，双击【M中的数据到静力分析模块中】进入静力分析模块。图30 静力分析模块4.2施加约束和荷载在左侧树形窗口中选择【M在细节窗口中选择滑板的一条边，】-【Sic Structural】-【Insert】-【Fixed Support】

15、，。图31固定约束在左侧树形窗口中选择【M】-【Sic Structural】-【Insert】-【RemoteDisplacement】，在细节窗口中选择滑板的另一条边一条边，输入 X 和Y方向的扭转分别为 8.7266e-002rad，3.4907e-002rad，。图32 位移条件4.3求解在左侧树形窗口中选择【M】-【Sic Structural】-【Solve】4.4查看整移结果在左侧树形窗口中选择【M】-【Sic Structural】-【Solution】-【TotalDeformation】，右键选择【Evaluate All Result】得到的变形结果。图33 变形图计算完

16、毕后返回workbench 主界面5.ACP 后处理在ACP 后处理模块中，将得到准确的复合材料结果，并应用不同的失效准则评并根据失效准则和铺层上的应力评估设计。5.1建立 ACP 后处理模块在Toolbox 中选择ACP（t），先将其拖曳到ACP（Pre）中的【M】中放开，此时，ACP（Pre）中的数据已经到 ACP（t）中，在将S。ic Structural中的Solution 拖曳到ACP（t）中，得到的模块图34 创建 ACP（t）模块鼠标右击ACP（t）模块。ACP（t）中的Results，选择Update，进行更新，再双击进入ACP（t）模块。图35 ACP（t）模块界面5.2查看

17、求解结果选择左侧树形窗口中的【Solutions】-【Solution 1】右键进行Update 更新。在【Solution 1】可以看到求解细节。图36 求解细节5.3查看变形在左侧树形窗口中选择【Solution】-【Solution1】，鼠标右键选择CreateDeformation，选择默认设置，可以得到变形图。图37 变形图5.4创建失效准则在左侧流程树种选择【Definitions】-【Create Failure Criteria】，在Failure CriteriaDefinition 中在Max Straax Stress，Tsai-Hill，Hoffman，Hashin，Puck，Cuntze后的方框内打钩，单击Apply，。图38 定义失效准则5.5查看应力在左侧树形窗口中选择【Solut