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以下我認(rèn)為是一篇非常好的貼子,是SIMWE論壇中的“fea_stud ”牛人寫(xiě)的。非常所有參考價(jià)值。對(duì)于建模當(dāng)中遇到的9個(gè)常數(shù)換篚,用這篇文章中的方法,能夠完美的解決你的問(wèn)題。請(qǐng)認(rèn)真研究仔細(xì)體會(huì)。
fea_stud發(fā)表的這幾個(gè)貼子很不錯(cuò),我把它綜合一下,順便做個(gè)目錄,便于朋友們?yōu)g覽。
http://forum.simwe.com/thread-791144-1-1.html
目錄
1# 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析總結(jié)(一)——概述篇
5# 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析總結(jié)(二)——建模篇
10# 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析總結(jié)(三)——分析篇
13# 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析總結(jié)(四)——優(yōu)化篇
做了一年多的復(fù)合材料壓力容器的分析工作,也積累了一些分析經(jīng)驗(yàn),到了總結(jié)的時(shí)候了,回想起來(lái),總最初采用I-deas,到MSC.Patran、Nastran,到最后選定Ansys為自己的分析工具,確實(shí)有一些東西值得和大家分享,與從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的朋友門(mén)共同探討。
(一)概述篇
復(fù)合材料是由一種以上具有不同性質(zhì)的材料構(gòu)成,其主要優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)異的材料性能,在工程應(yīng)用中典型的一種復(fù)合材料為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,這種材料的特性表現(xiàn)為正交各向異性,對(duì)于這種材料的模擬,很多的程序都提供了一些處理方法,在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相應(yīng)的處理方法。筆者最初是用I-Deas下建立各項(xiàng)異性材料結(jié)合三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬(由于研究對(duì)象是厚壁容器,不宜采用殼單元),分析結(jié)果還是非常好的,而且I-Deas強(qiáng)大的建模功能,但由于課題要求要進(jìn)行壓力容器的優(yōu)化分析,而且必須要自己寫(xiě)優(yōu)化程序,I-Deas的二次開(kāi)發(fā)功能開(kāi)放性不是很強(qiáng),所以改為MSC.Patran,Patran提供了一種非常好的二次開(kāi)發(fā)編程語(yǔ)言PCL(以后在MSC的版中專(zhuān)門(mén)給大家貼出這部分內(nèi)容),采用Patran結(jié)合Nastran的分析環(huán)境,建立了基于正交各項(xiàng)異性和各項(xiàng)異性?xún)煞N分析模型,但最終發(fā)現(xiàn),在得到的最后結(jié)果中,復(fù)合材料層之間的應(yīng)力結(jié)果始終不合理,而模型是沒(méi)有問(wèn)題的(因?yàn)樵贗-Deas中,相同的模型結(jié)果是合理的),于是最后轉(zhuǎn)向Ansys,剛開(kāi)始接觸Ansys,真有相見(jiàn)恨晚的感覺(jué),豐富的單元庫(kù),開(kāi)放的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境(APDL語(yǔ)言),下面就重點(diǎn)寫(xiě)Ansys的內(nèi)容。
在ANSYS程序中,可以通過(guò)各項(xiàng)異性單元(Solid 64)來(lái)模擬,另外還專(zhuān)門(mén)提供了一類(lèi)層合單元(Layer Elements)來(lái)模擬層合結(jié)構(gòu)(Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191)的復(fù)合材料。
采用ANSYS程序?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的主要問(wèn)題如下:
(1) 選擇單元類(lèi)型
針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)果的要求,選用不同的單元類(lèi)型。
Shell 99 —— 線(xiàn)性結(jié)構(gòu)殼單元,用于較小或中等厚度復(fù)合材料板或殼結(jié)構(gòu),一般長(zhǎng)度方向和厚度方向的比值大于10;
Shell 91 —— 非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)殼單元,這種單元支持材料的塑性和大應(yīng)變行為;
Shell 181—— 有限應(yīng)變殼單元,這種單元支持幾乎所有的包括大應(yīng)變?cè)趦?nèi)的材料的非線(xiàn)性行為;
Solid 46 —— 三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元,用于厚度較大的復(fù)合材料層合殼或?qū)嶓w結(jié)構(gòu);
Solid 191—— 三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元,高精度單元,不支持材料的非線(xiàn)性和大變形。
(2) 定義層屬性配置
主要是定義單層的層屬性,對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,在這里可以定義單層厚度、纖維方向等。
(3) 定義失效準(zhǔn)則
支持多種失效準(zhǔn)則,不過(guò)我還是沒(méi)有用他,而是自己寫(xiě)了通過(guò)應(yīng)力結(jié)果采用二次蔡胡準(zhǔn)則程序來(lái)判斷的。
(4) 其他的一些建模技巧和后處理指導(dǎo)
在我的分析工作中,主要采用了三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元。
關(guān)于Solid 46單元
(1) Solid 46是用于模擬復(fù)合材料厚殼或?qū)嶓w的8節(jié)點(diǎn)三維層合結(jié)構(gòu)單元,單元節(jié)點(diǎn)有x,y和z方向三個(gè)結(jié)構(gòu)自由度,單元允許最多250層不同的材料;
(2) 這種單元的定義包括:8個(gè)節(jié)點(diǎn)、各層厚度、各層材料方向角和正交各項(xiàng)異性材料屬性,其中每層可以為面內(nèi)兩個(gè)方向雙線(xiàn)性的不等厚層;
(3) 在材料定義時(shí),只需定義材料主方向和材料坐標(biāo)系(單元坐標(biāo)系)一致的材料參數(shù),不一致的復(fù)合材料層通過(guò)定義材料方向角(該層材料主方向和材料坐標(biāo)系所成的角度)由程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換;
(4) 通過(guò)選擇不同的層直接在單元坐標(biāo)下獲取單元應(yīng)力,包括三個(gè)方向的應(yīng)力和面內(nèi)剪切應(yīng)力,而不需要通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變的轉(zhuǎn)換來(lái)獲??;
【原創(chuàng)】復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析總結(jié)(二)——建模篇
復(fù)合材料是一種各向異性材料,對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料又是一種正交各向異性材料,因此,在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模的時(shí)候要特別注意的一個(gè)重要的問(wèn)題,就是材料的方向性。下面,就我個(gè)人的分析經(jīng)驗(yàn),對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的建模作一個(gè)總結(jié)。
1. 結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系、單元坐標(biāo)系、材料坐標(biāo)系和結(jié)果坐標(biāo)系
建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型,存在一個(gè)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系,用于確定幾何元素的位置,這個(gè)坐標(biāo)可以是笛卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系或者是球坐標(biāo)系;單元坐標(biāo)系是每個(gè)單元的局部坐標(biāo)系,一般用來(lái)描述整個(gè)單元;材料坐標(biāo)系是確定材料屬性方向的坐標(biāo)系,一般沒(méi)有專(zhuān)門(mén)建立的材料坐標(biāo)系,而是參考其他坐標(biāo)系,如整體結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系,或單元坐標(biāo)系,在Ansys程序中,材料坐標(biāo)是由單元坐標(biāo)唯一確定的,要確定材料坐標(biāo),只要確定單元坐標(biāo)就行了;結(jié)果坐標(biāo)系是在進(jìn)行結(jié)果輸出時(shí)所使用的坐標(biāo)系,也是一般參考其他坐標(biāo)系。在Ansys程序中,關(guān)于坐標(biāo)系有人做過(guò)專(zhuān)門(mén)的總結(jié)。見(jiàn)附件。
2. 用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的單元
用于復(fù)合材料分析的單元主要有兩類(lèi),一類(lèi)是層合單元,如Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191;另一類(lèi)是各向異性單元,如Solid64;這些材料都有不同的處理方法,層合單元,在一個(gè)單元內(nèi)可以包含多層信息,包括各層的材料、厚度和方向;各項(xiàng)各向異性單元,在一個(gè)單元內(nèi),只能包含一種材料信息,而且所得到的計(jì)算結(jié)果還要進(jìn)行一些處理,因此有一定的局限性。
3. 單元坐標(biāo)的一致性問(wèn)題
在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模的時(shí)候,有些時(shí)候結(jié)構(gòu)幾何比較復(fù)雜,很難用統(tǒng)一的坐標(biāo)來(lái)確定單元坐標(biāo)系,即使對(duì)一些規(guī)則的幾何(如圓桶),在用旋轉(zhuǎn)方法生成幾何時(shí),不同的面法向也會(huì)帶來(lái)單元坐標(biāo)的不一致,這就使得材料輸入的時(shí)候存在問(wèn)題并使計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤,因此,在幾何建模時(shí)要特別注意這一問(wèn)題,筆者也沒(méi)有得到一些復(fù)雜幾何進(jìn)行單元?jiǎng)澐謺r(shí)保持單元一致的合適方法。
4. 一個(gè)實(shí)例
下面的命令流顯示了不同的幾何生成方法會(huì)產(chǎn)生不同的單元坐標(biāo)方向:
/PREP7
!******Create Material*******
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,2.068e8
MPDATA,PRXY,1,,0.29
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,DENS,1,,7.82e-6
!*********Create Element Type**********
ET,1,SOLID95
KEYOPT,1,1,1
KEYOPT,1,5,0
KEYOPT,1,6,0
KEYOPT,1,11,0
!***************************
CSYS,1
HS=80
!**create two keypoints along axial
K,101,0,0,0,
K,102,0,0,400,
!**create keypoints
K,1,61,0,0,
K,2,HS,0,0,
K,5,100,0,0,
K,11,61,0,178,
K,12,HS,0,178,
K,15,HS+10,0,178,
K,111,61,0,178,
K,112,HS,0,178,
K,115,HS+10,0,178,
K,21,61,0,2450,
K,22,HS-4,0,2450,
K,25,HS+6,0,2450,
!***************************
!**create areas by keypoints
FLST,2,4,3
FITEM,2,21
FITEM,2,111
FITEM,2,112
FITEM,2,22
A,P51X
FLST,2,4,3
FITEM,2,22
FITEM,2,112
FITEM,2,115
FITEM,2,25
A,P51X
!***************************
FLST,2,2,5,ORDE,2
FITEM,2,1
FITEM,2,-2
FLST,8,2,3
FITEM,8,101
FITEM,8,102
VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,90,1,
TYPE, 1
MAT, 1
REAL,
ESYS, 0
SECNUM,
MSHAPE,0,3D
MSHKEY,1
FLST,5,2,6,ORDE,2
FITEM,5,1
FITEM,5,-2
CM,_Y,VOLU
VSEL, , , ,P51X
CM,_Y1,VOLU
CHKMSH,'VOLU'
CMSEL,S,_Y
VMESH,_Y1
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
CMDELE,_Y2
運(yùn)行上述命令流,查看一下單元坐標(biāo),再把命令流中下列部分
FLST,2,4,3
FITEM,2,21
FITEM,2,111
FITEM,2,112
FITEM,2,22
A,P51X
改為:
FLST,2,4,3
FITEM,2,22
FITEM,2,21
FITEM,2,111
FITEM,2,112
A,P51X
再看一下單元坐標(biāo)。
【原創(chuàng)】復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析總結(jié)(三)——分析篇
下面就我對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓力容器分析過(guò)程中所做的工作,從復(fù)合材料材料參數(shù)轉(zhuǎn)化、復(fù)合材料強(qiáng)度準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析幾方面寫(xiě)些我的心得,與大家共同探討。
1. 復(fù)合材料材料參數(shù)的轉(zhuǎn)化
單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(也稱(chēng)單向板)是指纖維按照同一方向平行排列的復(fù)合材料,是構(gòu)成層合板和殼的基本元素,可認(rèn)為是一種正交各向異性材料,也是一種橫觀各向同性材料(存在一個(gè)各向同性面),在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí),必須知道復(fù)合材料的彈性特性參數(shù),并由彈性特性參數(shù)來(lái)計(jì)算正交各向異性材料的9個(gè)參數(shù)(在ANSYS程序中定義材料時(shí)所需3個(gè)彈性模量、3個(gè)泊松系數(shù)和3個(gè)剪切模量),單向復(fù)合材料特性的計(jì)算有許多種方法,主要的方法有Halpin-Tai的彈性力學(xué)方法,這種方法根據(jù)彈性理論將復(fù)雜的纖維與樹(shù)脂間的關(guān)系用一組方程來(lái)表示,通過(guò)求解方程組,解得彈性參數(shù),我們使用的9個(gè)彈性參數(shù)的計(jì)算是通過(guò)單向復(fù)合材料的剛度矩陣轉(zhuǎn)化得到,下面是用APDL語(yǔ)言編寫(xiě)的材料轉(zhuǎn)化程序。
MAT_PAR_COMP
!*****************************************************************
!*this macro is used to calculate material parameters of composite
!*****************************************************************
E1=1.81E8
E2=1.03E7
V21=0.28
V12=E2*V21/E1
V23=0.5
V32=0.5
G12=7.17E6
RM=COS(ARG1)
RN=SIN(ARG1)
RM2=RM*RM
RM4=RM2*RM2
RN2=RN*RN
RN4=RN2*RN2
RMN=RM*RN
RMN2=RMN*RMN
!* caculate stiffness matrice of unidirectional composite material *
VV=(1.0+V23)*(1.0-V23-2.0*V21*V12)
VV=1.0/VV
Q11=(1.0-V23*V32)*VV*E1
Q22=(1.0-V21*V12)*VV*E2
Q33=Q22
Q12=V21*(1.0+V23)*VV*E2
Q13=Q12
Q23=(V23+V21*V12)*VV*E2
Q44=(1.0-V23-2.0*V21*V12)*VV*E2*0.5
Q55=G12
Q66=Q55
!* calculate equivalent stiffness of composite material *
HQ11=Q11*RM4+2.0*(Q12+2.0*Q66)*RMN2+Q22*RN4
HQ12=(Q11+Q22-4.0*Q66)*RMN2+Q12*(RM4+RN4)
HQ13=Q13*RM2+Q23*RN2
HQ23=Q13*RN2+Q23*RM2
HQ16=-RMN*RN2*Q22+RM2*RMN*Q11-RMN*(RM2-RN2)*(Q12+2.0*Q66)
HQ22=Q11*RN4+2.0*(Q12+2.0*Q66)*RMN2+Q22*RM4
HQ33=RN2*Q13+RM2*Q23
HQ33=Q33
HQ26=-RMN*RM2*Q22+RMN*RN2*Q11+RMN*(RM2-RN2)*(Q12+2.0*Q66)
HQ36=(Q13-Q23)*RMN
HQ44=Q44*RM2+Q55*RN2
HQ45=(Q55-Q44)*RMN
HQ55=Q55*RM2+Q44*RN2
HQ66=(Q11+Q22-2*Q12)*RMN2+Q66*(RM2-RN2)*(RM2-RN2)
QQ11=HQ11
QQ12=HQ12
QQ22=HQ22
QQ13=HQ13
QQ23=HQ23
QQ33=HQ33
QQ44=(HQ44*HQ55-HQ45*HQ45)/HQ55
QQ55=(HQ44*HQ55-HQ45*HQ45)/HQ44
QQ66=HQ66
Q(1)=QQ11
Q(2)=QQ12
Q(3)=QQ13
Q(4)=QQ22
Q(5)=QQ23
Q(6)=QQ33
Q(7)=QQ66
Q(8)=QQ44
Q(9)=QQ55
!*
QQQ=Q(1)*(Q(4)*Q(6)-Q(5)*Q(5))-Q(2)*(Q(2)*Q(6)-Q(3)*Q(5))+Q(3)*(Q(2)*Q(5)-Q(3)*Q(4))
S1=(Q(4)*Q(6)-Q(5)*Q(5))/QQQ
S2=-(Q(2)*Q(6)-Q(3)*Q(5))/QQQ
S3=(Q(2)*Q(5)-Q(3)*Q(4))/QQQ
S4=(Q(1)*Q(6)-Q(3)*Q(3))/QQQ
S5=-(Q(1)*Q(5)-Q(2)*Q(3))/QQQ
S6=(Q(1)*Q(4)-Q(2)*Q(2))/QQQ
S7=1/Q(7)
S8=1/Q(8)
S9=1/Q(9)
EEX=1/S1
EEY=1/S4
EEZ=1/S6
VXY=-S2*EEX
VXZ=-S3*EEX
VYZ=-S5*EEY
GXY=1/S7
GYZ=1/S8
GXZ=1/S9
/EOF
2. 復(fù)合材料強(qiáng)度準(zhǔn)則
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的受力及應(yīng)力應(yīng)變情況非常復(fù)雜,并要考慮各種應(yīng)力應(yīng)變的耦合和相互影響,復(fù)合材料強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則基于結(jié)構(gòu)的宏觀破壞,一般來(lái)說(shuō)復(fù)合材料的二次蔡-吳強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則較為精確。有興趣的朋友可以參考科學(xué)出版社出版的蔡為侖先生的《復(fù)合材料設(shè)計(jì)》這一本書(shū)。
3. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析
一般說(shuō)來(lái),復(fù)合材料結(jié)構(gòu)總是受到空間力的作用,其應(yīng)力分布是三維的,因此,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度分析一般不宜采用復(fù)合材料的板殼理論(這種理論僅考慮板殼面內(nèi)的應(yīng)力和橫向剪切應(yīng)力,而忽略法向應(yīng)力),同時(shí),對(duì)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)(如板、殼),可以得到彈性力學(xué)的一般解,而對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),則必須用數(shù)值的方法計(jì)算,三維有限元分析是最常用的方法。采用ANSYS程序?qū)?fù)合材料進(jìn)行剛強(qiáng)度分析的步驟如下:
(1) 建立結(jié)構(gòu)的幾何模型
由于復(fù)合材料分析單元一般都是六面體單元,因此,在建立幾何時(shí)要特別考慮到網(wǎng)格劃分的方便。
(2) 建立材料模型
根據(jù)復(fù)合材料材料參數(shù)建立單向復(fù)合材料材料模型,我所采用的是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,有兩種建立方法。
a. 若選擇單元為各向異性單元,則根據(jù)單向復(fù)合材料的剛度矩陣或柔度矩陣建立各向異性材料模型;
b. 若選擇層合單元,則可以建立相關(guān)的材料模型,如單向復(fù)合材料則可以建立正交各向異性材料模型
(3) 選擇單元類(lèi)型并設(shè)置相關(guān)屬性
根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和計(jì)算要求,選擇不同的單元類(lèi)型并設(shè)置單元屬性(各種單元的選擇依據(jù)請(qǐng)參考概述篇或ANSYS幫助文件)
(4) 網(wǎng)格劃分
在建立的幾何實(shí)體上進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)于復(fù)合材料,選擇六面體三維實(shí)體單元,定義單元屬性,分別指定不同的材料屬性,并保證材料坐標(biāo)一致,運(yùn)用有限元網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
(5) 定義邊界條件
根據(jù)實(shí)際情況定義邊界條件。
(6) 分析設(shè)定并提交計(jì)算
設(shè)定分析類(lèi)型及相關(guān)一些參數(shù)
(7) 結(jié)果后處理
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果在進(jìn)行后處理時(shí),非常重要的一點(diǎn)是選擇合適的并與計(jì)算時(shí)所用的坐標(biāo)一致的結(jié)果坐標(biāo)系,如對(duì)于回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)選擇計(jì)算時(shí)的柱坐標(biāo)。另外,對(duì)于用各向異性單元(Solid64)來(lái)模擬的計(jì)算結(jié)果在結(jié)果處理時(shí)必須保證應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的一致,主要是在不同種復(fù)合材料層間或者同一種復(fù)合材料不同鋪層方向的層之間界面的應(yīng)力應(yīng)變情況,ANSYS后處理中所得到的結(jié)果不完全是正確的,應(yīng)該根據(jù)法向應(yīng)力聯(lián)系,面內(nèi)應(yīng)變連續(xù)的準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行處理
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注:請(qǐng)大家注意分析三,大家在做ANSYS分析的時(shí)候,經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn),一般書(shū)里面,只給出了5個(gè)常數(shù),也就是X與Y方向的常數(shù)換算公式,但沒(méi)有給出Z方向的常數(shù)換算。當(dāng)初我就是為了這個(gè)問(wèn)題,四處尋找資料。但就是找不到。在論壇里面發(fā)現(xiàn)這個(gè)后,非常的管用。
大家在使用這些公式時(shí),建議大家根據(jù)作者的公式,把它們輸入到EXCELL(我不會(huì)編寫(xiě)ANSYS語(yǔ)言,只好采用笨辦法),然后可以試著輸入幾個(gè)數(shù)值,試算一下,如果準(zhǔn)確,說(shuō)明你編寫(xiě)的也正確。
注:大家一定要注意,不要把這里面的數(shù)值與教科書(shū)中的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。我指的是泊松比的下綴,比如U12,它的含義跟教材的中正好相反,你看一下公式就明白了。這是為什么呢。原因在于,請(qǐng)大家注意,在ANSYS當(dāng)中,軸對(duì)稱(chēng)單元都是以Y軸為對(duì)稱(chēng)軸,而不是X軸,所以大家建模的時(shí)候,都以Y為對(duì)稱(chēng)軸。在此基礎(chǔ)上,所有的材料都與正常的X軸成90度關(guān)系。這樣大家就不難理解為什么是相反的。 |
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