Ansys复合材料结构分析操作指导书

1、第四章 复合材料计算实例在有了前几章知识做铺垫，这一章我们来学习两个复合材料分析的例子，加深复合材料分析的理解，也希望读者能从中收获一些经验。在这里将第二章的流程图再次拿出来，进一步熟悉ANSYS有限元分析的基本过程。图7 Ansys 结构分析流程图4.1 层合板受压分析4.1.1 问题描述层合板指的是仅仅由FRP层叠而成的复合板材，中间不包含芯材，板材的性能不仅与纤维的弹性模量、剪切模量有关，还与纤维的铺层方向有着密切关系。本例中的板材有4层厚度为0.025m的单元板复合而成，单元板的铺层方向为0、90、90、0，见图13所示。单元板的材料属性见表4.1。表 4.1 单元板材料属性EX/MP

2、EY/MPEZ/MPGXY/MPGYZ/MPGXZ/MPPRXYPRYZPRXZ12.53003005020500.250.250.01图13 复合材料板4.1.2 求解步骤根据问题描述，所要分析的问题为壳体结构的复合材料板，可以采用SOLID46单元建立3D有限元模型进行分析。结合图7的一般步骤进行分析。步骤一：选取单元类型，设置单元实常数、在开始一个新分析前，需要指定文件保存路径和文件名。文件保存路径GUI：【Utility Menu】|【File】|【Change Directory】见图14指定新的文件名GUI：【Utility Menu】|【File】|【Change Jobname

3、】见图15所示图14 指定文件保存路径图15 修改文件名、选取单元类型1） 选取单元类型的GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Element Type】|【Add/Edit/Delete】，执行后弹出Element Types对话框。2） 在Element Types对话框点击Add定义新的单元类型，弹出“Library of Element Types”对话框，见图16所示，按图中所示选择，单元类型参考号输入框中输入数字1。图16 单元类型对话框3） 点击“OK”，回到“Element Types”对话框见图17所示，从图中可以看到，定义的单元类型参考号为1，

4、单元类型对应为SOLID46。图17 已经定义好的单元类型4） 接下来，还要对单元类型做一些选项设置，点击“Options”，弹出“SOLID46 element type options”对话框，在“Form of input”下拉选择列表中有三个选项，分别是各材料层厚度相同、变厚度材料层、自定义宏观材料本构矩阵，选择不同的选项，会导致后面需要输入的材料参数不同。由于本例各层厚度相同，选择“Const thk layer”项，点击“OK”，弹出“More SOLID46 element type options”，在K8选项中选择“All layers”，然后单击OK，随后单击Element

5、Types对话框上的Close，关闭该对话框，完成单元类型选择，见图18。图18 单元类型关键字设置、设置单元实常数单元实常数设置GUI路径为【Main Menu】|【Preprocessor】|【Real Constants】|【Add/Edit/Delete】，执行后出现Real Constants对话框，单击Add按钮，出现Element Type for Real Constants对话框，单击OK，出现Real Constant Set Number1, for SOLID46，如图19左图所示。在NL框中输入4，表示一共有4层，在LSYM框中输入1，表示对称铺层。图19 单元实常数

6、设置按图19设置完后点击OK，出现Real Constant Set Number1, for SOLID46对话框，见图19右图所示，按图中所示进行设置，点击OK关闭对话框。最后单击Real Constants对话框上的Close按钮完成实常数设置。步骤二：定义材料属性与各项同性材料一样，复合材料在定义材料性质时，需要定义弹性模量、剪切模量和泊松比，所不同的是复合材料需要定义各个方向上的材料性质。定义材料属性的GUI路径为：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Material Props】|【Material Models】执行完后弹出Define Material Mo

7、del Behavior对话框，见图20所示，按图中所示选择材料。图20 材料属性列表框选择完后弹出Linear Orthotropic Properties for Material Number1对话框。见图21所示。按图示输入材料属性值。在这里做一点说明，ANSYS软件允许用户使用任何一套相匹配的单位体系，比如：长度、力、时间、温度分别采用m、N、s、作为单位，或采用英制单位体系。单击OK关闭对话框，在Define Material Model Behavior对话框上选择【Material】|【Exit】，结束材料属性定义。图21 材料属性设置对话框步骤三：创建几何模型、划分网格、建立

8、几何模型在这个例题中，选择的单元类型是SOLID46，需要建立实体模型，建模的GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Create】|【Volumes】|【Block】|【By Dimension】，执行完后弹出Create Block by Dimensions对话框，相应的输入见图22所示。点击OK，结果如图23所示。图22 创建几何模型对话框图23 创建的几何模型、划分网格由第三章中的介绍知道，在划分网格前还需要对网格密度进行设置。这里采用手动的方法进行设置。手动设置时需要先选中欲控制网格密度的边线，指定其上的节点分布。在长宽方向的边线上

9、放置40个节点，在厚度方向上放置4个节点，具体操作如下：1） 长宽方向上放置节点执行【Utility Menu】|【Select】|【Entities】命令，出现Select Entities对话框，见图24a、b所示，按图所示进行设置，图24a中点击Apply按钮，图24b中点击OK。 （a） （b）图24 选择Z坐标为0及0.1的所有边线执行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【Size Cntrls】|【ManualSize】|【Lines】|【All Lines】命令，弹出Element Sizes on All Selected Lines对话框

10、，见图25所示。在NDIV输入框中输入40，对选中的边线等分为40份。图25 手动控制节点分布2） 厚度方向放置节点执行【Utility Menu】|【Select】|【Entities】命令，出现Select Entities对话框，见图26所示，按图所示进行设置，点击Invert按钮，然后点击Cancel完成对剩余边线的选择。图26 选择剩余边线执行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【Size Cntrls】|【ManualSize】|【Lines】|【All Lines】命令，弹出Element Sizes on All Selected Line

11、s对话框，见图25所示。在NDIV输入框中输入4，对选中的边线等分为4份。3） 划分网格执行【Utility Menu】|【Select】|【Everything】命令，选择所有实体，然后再执行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【MeshTool】命令，出现MeshTool对话框，见图26所示，按图中设置， 图26 网格划分设置设置完后点击Mesh，在绘图区用鼠标单击模型，划分的网格效果见图27所示。图27 网格划分效果展示步骤四：设定边界条件、加载、设置分析类型执行【Main Menu】|【Solution】|【Analysis Type】|【New

12、Analysis】，出现New Analysis对话框，选择分析类型为Static，单击OK结束分析类型设置。、设置边界约束和加载由于边界条件和载荷需要加载到单元节点上，因而需要先选中目标节点。在本例中，由于实体模型比较简单，给大家介绍一种快速选择边界，然后施加边界约束和表面压力的方法。执行【Main Menu】|【Solution】|【Define Loads】|【Apply】|【Structural】|【Displacement】|【On lines】，弹出Apply U，ROT on Lines对话框，见图28所示。执行后鼠标变成竖直向上的一个箭头，在图形显示框中用鼠标单击选择坐标为(1

13、,1)、(1，-1)、(-1,1)、(-1，-1)的四条边线，单击OK，弹出边界约束设置对话框，见图29所示，按图所示进行设置，点击OK，壳体四个角点的约束效果见图30所示。图28 约束施加边界选择对话框图29 边界约束设置对话框图30 角点四条边线的约束效果下面对表面施加压力荷载，需要先选择节点，然后再施加载荷，执行【Utility Menu】|【Select】|【Entities】，弹出图31所示的Select Entities对话框，按图中所示进行设置，设置完后点击OK，就选择了所有z坐标为0.1的节点。执行【Main Menu】|【Solution】|【Define Loads】|【A

14、pply】|【Structural】|【Pressure】|【On Nodes】，出现Apply PRES on Nodes对话框，点击 Pick All，弹出如图32所示的对话框，在VALUE输入框中输入6000，由于采用的单位是国际标准体系单位，所以这里的压强单位是Pa。施加压力后的效果见图33所示，红色的方格线表示施加的是表面载荷。注意图中右上角的文字提示，显示施加的表面载荷是6000。图31 选择需要施加压力的节点图32 施加表面压力对话框图 33 表面压力施加效果图步骤五：求解这一步比较简单，首先执行【Utility Menu】|【Select】|【Everything】命令，选择所

15、有的实体，注意，这一步操作不可以省略，否则将有部分单元和实体不参与计算；然后执行【Main Menu】|【Solution】|【Solve Current LS】，出现Solve Current Load Step对话框，点击OK按钮，ANSYS开始求解计算。计算结束后会出现Note提示框，见图34所示，单击Close关闭该对话框。图34 求解结束提示框步骤六：查看计算结果在查看计算结果之前，需要先读入结果，执行【Main Menu】|【General Postpro】|【Read Results】|【Last Set】，读取最终的求解结果；、位移查看：在读入结果后，执行【Main Menu】

16、|【General Postpro】|【Plot Results】|【Contour Plot】|【Nodal Solu】，出现Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured列表框中选择【Nodal Solution】|【DOF Solution】|【Displacement vector sum】，单击OK，图形显示窗口如图35所示，展示的是合位移等值线云图。图35 合位移等值线云图、应力查看：执行【Main Menu】|【General Postpro】|【Plot Results】|【Contour Plot】|【Nodal So

17、lu】，出现Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured列表框中选择【Nodal Solution】|【Stress】|【von Mises stress】，单击OK，图形显示窗口如图36所示，展示的是等效应力等值线云图。图36 等效应力等值线云图、当然，在ANSYS中还可以用文件形式将计算结果列出来，从而查看每个节点的具体数据，执行【Main Menu】|【General Postpro】|【List Results】|【Nodal Solu】，出现List Nodal Solution对话框，在Item to be listed列

18、表框中选择【Nodal Solution】|【DOF Solution】|【Displacement vector sum】，单击OK，ANSYS窗口将显示所有节点的位移数据，如图37所示。图37 列表显示节点位移信息此外，用户还能够查看指定节点的数据，操作方法是先选中这些节点（可以在图形显示窗口中用鼠标选择，也可以用坐标的方法选择），然后采用上面提到的方法列表显示节点数据即可。附录A：Ansys中如何使用IGES格式文件 IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是不同CAD/CAE软件系统之间数据交换的一种规范，Ansys也支持读入和输出这一

19、类型的数据文件。Ansys读入该文件类型有两种模式（见附图1红线框内）：（1）光滑模式(SMOOTH)，对应选项”No Defeaturing”，这种模式不会对原模型做任何修改，而且Ansys不会创建体积（只创建点、线、面元素），导入的模型一般需要手动进行修复，需要用到的几何修复工具位于前处理器（Preprocessor）模块中。（2）小平面模式（FACETED），对应选项“Defeature Model”，在这种模式下Ansys会自动执行点、线、面的合并操作，并且自动创建用于网格划分的体积，该模式主要用于对模型进行简化。如果在导入模型过程中出现问题，Ansys会弹出相应的几何修改工具。注：对

20、于大尺寸或复杂的模型，不推荐采用FACETED模式。附图1 Ansys 导入IGES文件选项设置下面将详细讲解两种模式使用过程需要注意的问题。1 SMOOTH模式GUI路径：【Utility Menu】|【File】|【Import】|【IGES】，选择“No defeaturing”。建议导入IGES格式数据时首先尝试采用SMOOTH模式，如果利用几何修复工具仍无法修复导入模型上的缺陷，再考虑采用FACETED模式。1.1 CAD软件建模注意事项 如果生成的模型是轴对称的，注意对称轴选择Y轴。 避免创建闭合曲线（即曲线的起点和终点重合）和闭合曲面（比如曲面起始和终止边重合）。因为Ansys中

21、曲线应该至少包含两个关键点，所以无法存储闭合曲线和闭合曲面，如果导入的模型中包含闭合曲线或闭合曲面，Ansys将尝试将其分割成多个几何特征。 由于IGES发展到现在已经有多个版本，从CAD软件输出IGES文件时，尽量选择ANSYS软件能支持的IGES版本。1.2 CAD软件输出IGES文件注意事项 输出时只选择Ansys分析需要用到的那一部分模型，Ansys有限元分析不需要像CAD软件那样关注每一个细节。 对于通过修剪操作生成的曲面，在将其转换为IGES数据格式时，数据中应该包含XYZ坐标数据和UV坐标数据。 如果要分析的模型非常大，应该将模型分成多块分别输出，每个IGES数据文件只包含模型的

22、一部分。在Ansys中将多个文件读入后采用前处理器中的合并操作进行重新组合。（合并操作GUI路径：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Numbering Ctrls】|【Merge Items】）。 如果IGES文件的数据是以ASCII码存储的，确保文件中每行都是80个记录。1.3 Ansys导入IGES文件注意事项 注意导入文件时ANSYS程序的各种提示信息。警告信息包括诸如IGES转换失败的部件以及转换成功的部件在ANSYS中对应的部件号。 如果存在IGES部件没有转换，可以采用模型修补命令进行重构。SMOOTH模式能够读入任何不超过20阶的有理B样条曲线和有理B样条曲

23、面，如果阶数超过20阶ANSYS将提示出错信息。1.4 ANSYS导出IGES文件注意事项 输出IGES数据前需要先设定系统单位，单位的设置只能通过命令的形式设置：/UNITS，比如要设定国际单位体系，只要在命令输入框中输入“/UNITS,SI”,回车确认即可。 输出数据前，需要选择几何实体的所有下属元素，GUI操作：【Utility Menu】|【Select】|【Everything Below】。 如果想输出模型的部分元素，则只需要选中那些需要输出的模型及其下属元素（包括关键点和边线），然后去掉选中的更高级别的特征元素即可。2 FACETED模式2.1 FACETED模式使用的9个步骤、

24、采用SMOOTH模式导入IGES文件。. 、通过创建基本几何元素（比如创建关键点，线等）对导入的几何体进行改善和修复，适当时候结合布尔操作进行修改，记住，不要急着划分网格。 、将导入的模型和创建的模型保存到数据库文件，这一步只要点击保存图标即可完成。 、将模型保存到IGES格式的文件。 、在命令输入框中输入“/CLEAR”命令，清空当前软件中的数据（也可以退出然后重启软件）。 、执行【Utility Menu】|【File】|【Import】|【IGES】，选择“Defeature Model ”。、选择第4步保存的模型文件，将其以FACETED模式导入。、在FACETED模式下，对模型进行简

25、化处理，去掉可能导致划分网格失败的几何特征。 、对模型进行网格划分，如果在划分网格中碰到问题，则需要对模型做进一步的简化处理。 注意：不是所有的几何问题都可以在FACETED模式中得到解决，必要的时候需要在创建模型的CAD软件中做相应的修改。2.2 FACETED模式简化模型2.2.1 目测检查模型的几何缺陷模型的几何缺陷（参见附图2）主要包括：很短的线条(Small line)、不相关的几何特征、面积很小的面域(Small area)、在一个方向上尺寸很不协调的面域(Thin area)（比如狭长条表面）等，这些几何缺陷很容易导致网格划分不理想甚至失败（见附图2）。需要借助几何简化工具消除这

26、些缺陷。附图2 存在几何缺陷的模型及其网格划分结果从附图2的网格划分来看，单元间网格尺寸急剧变化，这在有限元分析中是不被允许的，需要对模型进行修改，重新划分网格。2.2.2 查找定位几何缺陷 查找定位短曲线：GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】| 【Modeling】|【Simplify】|【Detect/Display】|【Small Lines】 查找定位小环线GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】| 【Modeling】|【Simplify】|【Detect/Display】|【Small Loops】 查找定位小面域GUI操作：【M

27、ain Menu】|【Preprocessor】| 【Modeling】|【Simplify】|【Detect/Display】|【Small Areas】在找到这些几何缺陷后可以采用修补工具进行修改。2.2.3 短曲线的修补对于短曲线的修补有两种方法可用，一种是合并操作（merge lines），将短曲线与长曲线进行合并，合并后得到一条曲线（注意，合并节点处不能有第三条曲线与之相接，因为合并后节点将不复存在）；另一种是降阶操作（collapse lines），将曲线收缩到该曲线两个端点中的一个，这会对原有模型有所改变。附图3 短曲线的修补2.2.4 小曲面的修补与短曲线的修补类似，小曲面的修

28、补也有两种方法，一种是合并曲面（merge areas），将小曲面与邻近的大曲面进行合并，在合并的过程中需要注意保持曲面的规则性（比如小曲面合并前为四变形，合并后的曲面仍然是四变形），这样可以避免曲面参数化失败（见附图4）。附图4 正确的曲面合并（上图）于不错误的曲面合并（下图）另外一种方法是曲面降阶（collapse areas），即将曲面向其边界收缩。操作时，先选择要降阶的曲面，然后选择曲面要简化的目标边线。一般需要先进行曲线简化操作，然后再做曲面简化，简化的边线一般选择曲面较长的一条边作为目标边线，简化实例见附图5所示。附图5 曲面降阶实例2.2.5 空腔和凸台的简化模型上的空腔（包括凹

29、槽和通孔）和凸台特征都可能影响网格划分效果甚至使得网格划分失败，因而有必要对其进行简化处理。在清除这些特征时，需要选中组成特征的所有曲面，选择曲面的顺序很关键，选择过程中应该先选择特征的组成面，最后选择空腔或凸台的附着面，如果顺序不对的话会扭曲模型的几何形状，这是我们不愿看到的。清除空腔和凸台的GUI操作如下：清除空腔：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Simplify】|【Toolkit】|【Fill Cavity】清除凸台：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Simplify】|【Toolkit】|【Re

30、move Boss】 ，参见附图6。附图6 清除凸台2.3 FACETED模式下模型的修复上面讲的都是有关如何简化模型的方法，实际导入IGES模型还会碰到模型的拓扑结构问题（比如模型上有缝隙 gaps）或者模型不完整（比如曲面边线不封闭）等。这些拓扑结构缺陷或几何不完整都需要在FACETED模式下进行修复。2.3.1 修补模型上的缝隙缝隙的修补归属拓扑结构修补，拓扑结构修补工具位于【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】下，利用这些工具可以“缝合”模型上的小缝隙。在生成封闭体积前必须将边线和曲线段缝合到邻近的曲面上。当拓扑修复工具打

31、开时，其他任何几何工具都处于不可选用状态。模型上存在的很多问题都可以通过拓扑修复工具进行修复。2.3.1.1 缝隙绘图显示和列表显示的相关设置要对于模型上存在的缝隙进行修复，需要首先找到这些缝隙，为便于观察缝隙的位置，需要对缝隙进行突出显示。显示设置GUI路径：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Preferences】，见附图7所示。附图7 拓扑结构修复设置有两项设置项：l 误差限设置（TOLER）：设置在多大间距下认为存在间隙，当两者间距超过该设定值时，认为存在缝隙。l 边线列表和绘图显示设置（OESELE）：设置缝隙以

32、何种方式显示。2.3.1.2 查找并显示缝隙对于模型上的缝隙，可以通过列表显示和在绘图窗口显示两种方式显示。l 列表显示功能该项功能的GUI设置为：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Lst Model Gaps】|【Open edges】如果想要列表显示所有的封闭曲线可以这样设置： 【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Lst Model Gaps】|【Closed edges】l 绘图显示功能在此，可以通过绘图功能设置来突出显示裂口和封闭的曲线，下面讲述

33、如何通过颜色来突出显示： 蓝色 表示封闭边线 ； 红色 表示非封闭边线，即使在执行GAPMERGE命令后，非封闭曲线依然保持为非封闭状态 ； 黄色 表示非封闭边线，但在执行GAPMERGE后将要变为行封闭曲线 。在进行设置后，就可以用绘图命令来显示想要显示的曲线了：绘图显示所有非封闭曲线GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Plt Model Gaps】|【Open Edges】绘图显示所有封闭曲线GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【

34、Plt Model Gaps】|【Closed Edges】绘图显示所有封闭曲线和非封闭曲线GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Plt Model Gaps】|【Opn & Closed】2.3.1.3 合并缝隙合并缝隙有两种方法，一种是手动合并（需要指定一个误差限），另一种是自动合并（使用迭代合并工具）。对于大多数模型都是采用的自动合并功能。在进行合并操作前建议先对模型进行保存数据库操作，以便当合并出现意外时可以撤销前面的操作。 自动合并当采用自动合并时，程序会尝试采用反复迭代的方式从最低等误差限（默认为1级）

35、开始直到最高级误差限（默认为10级）对所有的缝隙进行合并。 自动合并GUI操作： 【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Mrg Model Gaps】|【Iterative】 手动合并 采用手动合并操作时建议选用最低等级的误差限（误差限的设置方法：【Main Menu】| 【Preprocessor】|【 Modeling】|【 Topo Repair】|【 Preferences】），如果采用过高的误差限会导致模型面型发生扭曲，因此再次提醒在操作前能对模型数据进行保存。 手动合并GUI操作： 【Main Menu】|【Pre

36、processor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Mrg Model Gaps】|【By Tolerance】 小问题： 如果无法合并所有的缝隙怎么办？ 这种情况是有可能出现的，对于这种情况，需要先退出拓扑修复工具箱，然后采用其他的几何工具进行修复； 关于退出拓扑修复工具箱 如果完成了所有的拓扑修复（或者碰到上面提到的情况）你需要退出拓扑修复工具箱，需要提请注意的是，一旦你选择退出，将不能再次进入拓扑工具箱或者执行GAPMERGE命令，你只能重新以FACETED模式导入IGES模型，或者点击“Resume“按钮，读入之前保存的模型数据。 退出拓扑修复工具箱GUI操作:

37、【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】|【Finish】2.3.2 修补几何体的缺失部分对于合并操作不能完全解决的遗留缺陷（比如缝隙过大），ANSYS还提供了一整套几何修复工具用于修补。此时，需要创建新的曲线来使得边界封闭，然后在封闭边界内创建曲面。当然，你还可以删除不必要的曲线或者曲面。创建一个体积的一般流程： 1. 找到模型上的小洞或者不完整的边界（缝隙）；2. 用新创建的曲线或曲面近似丢失的几何体；3. 用新创建的曲面完成体积创建 。2.3.2.1 定位显示不完整边界与查找缝隙类似，查找不完整边界同样有列表显示和绘图显示两种

38、方法。列表显示所有非封闭边界GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Geom Repair】|【Lst Model Gaps】|【Open edges】列表显示所有封闭边界GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Geom Repair】|【Lst Model Gaps】|【Closed edges】绘图显示所有非封闭边界GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Geom Repair】|【Plt Model Gaps】|【Open edges】（非封闭边界以红色显示）绘图显示所有