ANSYS知识普及11——如何分析复合材料（2）（ANSYS专家编辑，非原创，欢迎转摘）

宁博士CAE团队

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复合材料结构分析总结（二）——建模篇

ANSYS坐标系总结

工作平面（Working Plane）

工作平面是创建几何模型的参考(X,Y)平面，在前处理器中用来建模(几何和网格)

总体坐标系
在每开始进行一个新的ANSYS分析时，已经有三个坐标系预先定义了。它们位于模型的总体原点。三种类型为:
CS,0: 总体笛卡尔坐标系
CS,1: 总体柱坐标系
CS,2: 总体球坐标系
数据库中节点坐标总是以总体笛卡尔坐标系，无论节点是在什么坐标系中创建的。

局部坐标系
局部坐标系是用户定义的坐标系。局部坐标系可以通过菜单路径Workplane>Local CS>Create LC来创建。
激活的坐标系是分析中特定时间的参考系。缺省为总体笛卡尔坐标系。当创建了一个新的坐标系时，新坐标系变为激活坐标系。这表明后面的激活坐标系的命令。菜单中激活坐标系的路径 Workplane>Change active CS to>。

节点坐标系
每一个节点都有一个附着的坐标系。节点坐标系缺省总是笛卡尔坐标系并与总体笛卡尔坐标系平行。节点力和节点边界条件（约束）指的是节点坐标系的方向。时间历程后处理器 /POST26 中的结果数据是在节点坐标系下表达的。而通用后处理器/POST1中的结果是按结果坐标系进行表达的。

例如: 模型中任意位置的一个圆，要施加径向约束。首先需要在圆的中心创建一个柱坐标系并分配一个坐标系号码(例如CS,11)。这个局部坐标系现在成为激活的坐标系。然后选择圆上的所有节点。通过使用 "Prep7>Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 选择节点的节点坐标系的朝向将沿着激活坐标系的方向。未选择节点保持不变。节点坐标系的显示通过菜单路径Pltctrls>Symbols>Nodal CS。这些节点坐标系的X方向现在沿径向。约束这些选择节点的X方向，就是施加的径向约束。

注意：节点坐标系总是笛卡尔坐标系。可以将节点坐标系旋转到一个局部柱坐标下。这种情况下，节点坐标系的X方向指向径向，Y方向是周向（theta）。可是当施加theta方向非零位移时，ANSYS总是定义它为一个笛卡尔Y位移而不是一个转动（Y位移不是theta位移）。

单元坐标系
单元坐标系确定材料属性的方向（例如，复合材料的铺层方向）。对后处理也是很有用的，诸如提取梁和壳单元的膜力。单元坐标系的朝向在单元类型的描述中可以找到。

结果坐标系
/Post1通用后处理器中 (位移, 应力，支座反力)在结果坐标系中报告，缺省平行于总体笛卡尔坐标系。这意味着缺省情况位移，应力和支座反力按照总体笛卡尔在坐标系表达。无论节点和单元坐标系如何设定。要恢复径向和环向应力，结果坐标系必须旋转到适当的坐标系下。这可以通过菜单路径Post1>Options for output实现。 /POST26时间历程后处理器中的结果总是以节点坐标系表达。

显示坐标系
显示坐标系对列表圆柱和球节点坐标非常有用(例如, 径向，周向坐标)。建议不要激活这个坐标系进行显示。屏幕上的坐标系是笛卡尔坐标系。显示坐标系为柱坐标系，圆弧将显示为直线。这可能引起混乱。因此在以非笛卡尔坐标系列表节点坐标之后将显示坐标系恢复到总体笛卡尔坐标系。

下面关于ANSYS变层厚复合材料壳的例子，供学习

对于叠层状符合材料壳，可以采用shell181，shell91或shell99来模拟，通常推荐使用she
ll181，因为这个单元提供了最强的材料模型、非线性以及求解技术支持能力，而且可以方
便地进行截面偏置或定义厚度函数。厚度函数可以指定随坐标变化的壳厚度，来模拟变厚
度壳。但对于shell181单元来说，厚度函数只用来控制壳的总厚度，并不能控制单层厚度
，各个叠层的厚度是由总厚度根据壳截面定义中输入的各层厚度值按比例分配的。但有些
情况下，我们需要控制单层的厚度函数，也就是说复合材料中只有某一层或几层的厚度是
坐标的函数，而其余层的厚度并没有变化，这种情况下就不能用总厚度来控制了：如下图
所示的复合材料截面。

只有中间两层的厚度在变化，这种情况下就需要我们根据函数指定中间两层的厚度，而其
余层的厚度不变，这时用shell181单元就不好实现了。可以用shell91或shell99来实现这
种情况，这两种壳单元和shell181不同，不是通过截面来定义铺层，而是通过实常数定义
，可以定义每一个单层的变厚度，即每一层在四个角节点上的厚度。只要对每个单元定义
一个实常数，其每一层的厚度通过实常数定义其对应角节点所在位置的层厚度，就可以实
现层厚的函数化。由于每一层每个角节点的厚度值都是实常数中的某个数值，所以可以通
过RTHICK命令根据函数来修改实常数，从而达到这样一个目的。关于RTHICK命令的说明这
里不进行详细描述，可以参阅ANSYS帮助中对这个命令的详细介绍，下面通过一个例子用sh
ell91单元来说明具体方法。

这个例子为20×10的一个板，如下图所示。其厚度沿长边方向变化，左半部分为32层，中
间两层厚度由0.125逐渐收缩到0，其余层厚不变，右半部分为30层，情况类似。可以参阅
上图，只是层数有所不同。

命令流如下（注：本例只是为了说明方法，壳的厚度偏大，可能并不适合用壳单元来模拟
，只是为了后处理中便于看到结果，实际结构厚度可能小的多，您可以根据需要调整）：

/prep7
ET,1,SHELL91,32,1
KEYOPT,1,11,0,
KEYOPT,1,8,1
ET,2,SHELL91,30,1
KEYOPT,2,11,0,
KEYOPT,2,8,1

MP,EX,1,135000
MP,EY,1,8800
MP,EZ,1,8800
MP,PRXY,1,0.33
MP,PRYZ,1,0.33
MP,PRXZ,1,0.33
MP,GXY,1,4470
MP,GYZ,1,4470
MP,GXZ,1,4470

RECTNG,0,10,0,10,
RECTNG,10,20,0,10,
AGLUE,all

LESIZE,all, , ,20, , , , ,1
!*

ASEL,S,LOC,X,0,10
MSHAPE,0,2D
MSHKEY,0
TYPE, 1
AMESH,all
allsel,all

ASEL,S,LOC,X,10,20
MSHAPE,0,2D
MSHKEY,0
TYPE, 2
AMESH,all
allsel,all

CSWPLA,11,0,1,1,
esys,11

*GET,MXNODE,NODE,,NUM,MAX,
*GET,MXELE,ELEM,,NUM,MAX,
*DIM,THICK,,MXNODE

ESEL,S,TYPE,,1
NSLE,S

*DO,ELE,1,MXELE
*IF,ESEL(ELE),EQ,1,THEN
R,ELE
RMODIF,ELE,1,32,0, , , ,0
RMODIF,ELE,13,1,45,0.125,0,0,0, !1
RMODIF,ELE,19,1,135,0.125,0,0,0, !2
RMODIF,ELE,25,1,90,0.125,0,0,0, !3
RMODIF,ELE,31,1,135,0.125,0,0,0, !4
RMODIF,ELE,37,1,45,0.125,0,0,0, !5
RMODIF,ELE,43,1,90,0.125,0,0,0, !6
RMODIF,ELE,49,1,135,0.125,0,0,0, !7
RMODIF,ELE,55,1,45,0.125,0,0,0, !8
RMODIF,ELE,61,1,0,0.125,0,0,0, !9
RMODIF,ELE,67,1,45,0.125,0,0,0, !10
RMODIF,ELE,73,1,135,0.125,0,0,0, !11
RMODIF,ELE,79,1,90,0.125,0,0,0, !12
RMODIF,ELE,85,1,135,0.125,0,0,0, !13
RMODIF,ELE,91,1,45,0.125,0,0,0, !14
RMODIF,ELE,97,1,0,0.125,0,0,0, !15
RMODIF,ELE,103,1,45,0.125,0,0,0, !16
RMODIF,ELE,109,1,135,0.125,0,0,0, !17
RMODIF,ELE,115,1,90,0.125,0,0,0, !18
RMODIF,ELE,121,1,45,0.125,0,0,0, !19
RMODIF,ELE,127,1,135,0.125,0,0,0, !20
RMODIF,ELE,133,1,90,0.125,0,0,0, !21
RMODIF,ELE,139,1,135,0.125,0,0,0, !22
RMODIF,ELE,145,1,45,0.125,0,0,0, !23
RMODIF,ELE,151,1,0,0.125,0,0,0, !24
RMODIF,ELE,157,1,45,0.125,0,0,0, !25
RMODIF,ELE,163,1,135,0.125,0,0,0, !26
RMODIF,ELE,169,1,90,0.125,0,0,0, !27
RMODIF,ELE,175,1,45,0.125,0,0,0, !28
RMODIF,ELE,181,1,135,0.125,0,0,0, !29
RMODIF,ELE,187,1,90,0.125,0,0,0, !30
RMODIF,ELE,193,1,135,0.125,0,0,0, !31
RMODIF,ELE,199,1,45,0.125,0,0,0, !32
*ENDIF
*ENDDO

*DO,NODE,1,MXNODE
*IF,NSEL(NODE),EQ,1,THEN
THICK(node) = 0.125-0.0125*NX(NODE)
*ENDIF
*ENDDO

RTHICK,THICK(1),105,106,107,108
RTHICK,THICK(1),111,112,113,114

*DO,NODE,1,MXNODE
THICK(node) =0

*ENDDO
ALLSEL,ALL

ESEL,S,TYPE,,2
NSLE,S

*DO,ELE,1,MXELE
*IF,ESEL(ELE),EQ,1,THEN
R,ELE
RMODIF,ELE,1,30,0, , , ,0
RMODIF,ELE,13,1,45,0.125,0,0,0, !1
RMODIF,ELE,19,1,135,0.125,0,0,0, !2
RMODIF,ELE,25,1,90,0.125,0,0,0, !3
RMODIF,ELE,31,1,135,0.125,0,0,0, !4
RMODIF,ELE,37,1,45,0.125,0,0,0, !5
RMODIF,ELE,43,1,90,0.125,0,0,0, !6
RMODIF,ELE,49,1,135,0.125,0,0,0, !7
RMODIF,ELE,55,1,45,0.125,0,0,0, !8
RMODIF,ELE,61,1,0,0.125,0,0,0, !9
RMODIF,ELE,67,1,45,0.125,0,0,0, !10
RMODIF,ELE,73,1,135,0.125,0,0,0, !11
RMODIF,ELE,79,1,90,0.125,0,0,0, !12
RMODIF,ELE,85,1,135,0.125,0,0,0, !13
RMODIF,ELE,91,1,45,0.125,0,0,0, !14
RMODIF,ELE,97,1,0,0.125,0,0,0, !15
RMODIF,ELE,103,1,45,0.125,0,0,0, !16
RMODIF,ELE,109,1,135,0.125,0,0,0, !17
RMODIF,ELE,115,1,90,0.125,0,0,0, !18
RMODIF,ELE,121,1,45,0.125,0,0,0, !19
RMODIF,ELE,127,1,135,0.125,0,0,0, !20
RMODIF,ELE,133,1,90,0.125,0,0,0, !21
RMODIF,ELE,139,1,135,0.125,0,0,0, !22
RMODIF,ELE,145,1,45,0.125,0,0,0, !23
RMODIF,ELE,151,1,0,0.125,0,0,0, !24
RMODIF,ELE,157,1,45,0.125,0,0,0, !25
RMODIF,ELE,163,1,135,0.125,0,0,0, !26
RMODIF,ELE,169,1,90,0.125,0,0,0, !27
RMODIF,ELE,175,1,45,0.125,0,0,0, !28
RMODIF,ELE,181,1,135,0.125,0,0,0, !29
RMODIF,ELE,187,1,90,0.125,0,0,0, !30
*ENDIF
*ENDDO

*DO,NODE,1,MXNODE
*IF,NSEL(NODE),EQ,1,THEN
THICK(node) = 0.125-0.0125*(NX(NODE)-10)
*ENDIF
*ENDDO

RTHICK,THICK(1),99,100,101,102
RTHICK,THICK(1),105,106,107,108

*DO,NODE,1,MXNODE
THICK(node) =0
*ENDDO

ALLSEL,ALL
/ESHAPE,1.0
EPLOT