ESAComp介绍~~

图3 可以在不同的坐标系统下来研究层合板单层的应力或应变
对于基于单层的层合板载荷响应，可以使用首层失效方法（First Ply Failure, FPF）。该理论假定复合材料层合板的失效行为首先发生在层合板中最先到达失效临界值的层上。由于层合板内的多轴应力-应变状态，需要使用几个失效准则来进行分析。复合材料具有许多可用失效准则，除了几个ESAComp内部提供的失效判据外，用户可以定义自己的失效准则，ESAComp用保留因子或安全因子的形式给出了结构的失效空间，很清楚地说明了载荷还可以增加多少或者必须减少多少。程序还给出了包括不同层的可能失效模式等的其它数据。在分析夹层层板时，系统自动考虑面板的皱曲失效和芯材的剪切失效。层合板的最终承载标准可以由层合板逐层失效分析（Degraded Laminate Failure, DLF）来预测。该分析方法假定基体材料的失效穿过层板扩展，这样应力在各层之间重新分布。
ESAComp的层合板分析同样包括了材料性能和铺层方向的敏感性分析；具有圆孔和椭圆孔的层合板孔板分析；层合板减薄效应分析；复合材料在给定环境历史下的吸潮计算以及层合板三维有限元分析时的自由边效应。
ESAComp板分析考虑的是一个用户指定四边约束支撑情况（固定、简支或自由边）的矩形板问题。在横向载荷分析中，可以施加点载荷、压力及线载荷，分析结果包括板的变形、失效裕度以及板整个面积上的失效形式；可以定义板的面内载荷来进行屈曲分析；也可以确定板的第一固频。ESAComp板分析使用内嵌的有限元求解器中的Mindlin板单元来对板进行求解，尤其是在夹层板中起主要作用的离面剪切变形也就可以加以考虑。ESAComp程序的梁分析能力同板分析能力相似。可以处理的梁截面类型包括层合板/夹层板，圆形/椭圆形、矩形和I型横截面。
ESAComp程序的胶接和机械连接分析可以预测连接处的载荷分布以及预测连接的承载能力。尤其其胶接分析十分先进，它允许许多类型的载荷和边界条件组合以及用双线性本构模型对胶接进行建模。
ESAComp软件目前进一步的开发集中在加筋板的分析，层合板的一般面外剪切（层间）分析以及圆柱壳的分析。
（4）设计能力
层合板结构的设计通常是对不同材质、层厚度和铺层方式的组合进行试选找到合适的结构构造。虽然材质组合和层合板铺层方式有无限多种可能，但是实际考虑通常局限在设计空间的范围之内。例如，设计人员可以限制铺层角为0°、±45°、90°，因为从生产加工的观点来说，这是最佳选择而且往往产生接近于最优的设计方案。因此，设计的任务局限为从一些材料备选方案中选择材料并确定每层厚度以及不同方向层的比例。ESAComp程序分析同数据银行以及许多结果数据估计的方法一起支持该种类型的交互式设计方法（图4）。

图4 ESAComp可以用来比较备选层合板设计方案的图形结果显示
ESAComp 软件中也包括针对层合板设计的被称作“设计工具”的更严格方法。它们是互逆的问题求解器，对用户所定义的设计问题寻找一个答案。设计目标通过对某个层合板的重要设计属性的约束和目标进行设计说明来定义。“层合板评估工具”在被选层合板中间搜索满足具体约束的层合板，该评估工具还会进一步评估可用层合板对约束条件的满足程度并对它们按级别排序。“层合板的生成工具”从用户选择的层中生成满足具体约束的层合板并尽可能满足设计属性的目标和权函数确定的全面目标。
3．同有限元软件一起使用层合板分析工具
（1）有限元软件的局限
尽管在层合板复合材料结构分析中大量使用有限元程序，但是它们在层合结构的结果后处理中存在着缺陷。例如，在层合板层的级别上来查看应力、应变的分布十分困难。对于复合材料的失效分析，有限元软件包提供的可选失效标准非常有限而且忽略了像夹层板面皱曲这样的具体失效模式。在评价层合板的应力-应变状态时，有限元程序通常不考虑可能的内部载荷。复合材料的有限元分析前期考虑要比金属材料复杂得多。一般的有限元软件很难提供该设计阶段。
（2）设计周期
在对复合材料层合板结构进行有限元分析之前，必须有初始层合板设计。专业化的复合材料分析工具能够有效地来设计这些层合板构造。在进行了第一轮的有限元分析之后，需要对层合板设计进行修正。同样，在进行下一轮整体有限元模型分析之前，层合板分析和设计工具可以用来有效地研究层合板铺层方式的变化如何改变它们的性能。同时，还可以考虑有限元软件所没有考虑的失效模式问题。
当各种工具包之间实现了数据自动传输时，将层合板分析工具同有限元软件包一起使用变得更加合理，至少在某些程度上如此。图5描述了ESAComp软件是如何实现有限元软件同层合板分析工具之间的交互作用的。

图5 层合板分析软件作为复合材料结构设计周期中的一部分
（3）同有限元软件的适配性问题
当使用层合板分析软件对有限元分析进行后处理时，很重要的一点是有限元中单元的规定同层合板分析中假设相一致。一般来说，这个问题不大，因为对于层合板的面内和弯曲行为，通用壳单元的一阶剪切变形理论(First-Order Shear Deformation Theory, FSDT)或Mindlin板理论同经典的层合板理论（Classical Lamination Theory）等效。经典层合理论不能考虑面外剪切变形问题，但是由于在一阶剪切变形理论中面外剪切变形同的面内和弯曲行为并不耦合，因此也并不矛盾。但是，必须注意到不同的有限元代码处理面外剪切刚度的方式变化很大，而且对于何种为最佳方案没有定论。
当在层合板分析工具同有限元软件包之间进行数据交换时，还需要考虑许多其他的问题。坐标系统和层编号规则需要相同，否则需要进行相应转换。同样，也需要考虑单位系统的适配性问题。有限元程序可以在单元坐标系统下也可以在材料坐标系统下提供单元应力-应变数据。但是对于层合板分析，必须在材料坐标系统下输入数据。
（4）ESAComp软件的运行
ESAComp程序提供了同主流有限元软件（ABAQUS、ANSYS、I-DEAS、MSC.Nastran 和NISA）交互的双向界面，见图6。

图6 针对ANSYS程序的ESAComp交互界面，支持到ANSYS程序的层合板数据和相关的材料性能的数据输出以及在ESAComp程序中进行后处理部分而进行数据输入
“有限元输出界面”可以将ESAComp程序的层合板定义同相关材料数据一起传输到有限元程序中。个别有限元代码支持文本文件格式来进行文件传输。ESAComp支持有限元程序中的层壳单元。对于一些有限元软件包，ESAComp同样支持其使用普通的壳单元。在这种情况下，ESAComp程序输出层合板刚度矩阵而不是材料数据和铺层方式。有时使用有限元软件的实体模型对层合板结构进行非常详细地分析。对此，ESAComp软件可以向有限元软件输出层材料数据这样的数据。
在ESAComp中，可以通过“有限元输入界面”来进行有限元程序的后处理。ESAComp程序读取其支持的有限元软件包生成的输出文件。ESAComp程序输入的数据是壳单元的合力/力矩或者相应的应变状态。用户必须从ESAComp程序中选择对应于结果的层结构。ESAComp可以对整套数据进行失效分析，确定数据点的门槛值，可能的失效模型和失效层。程序中，这里的数据点是指单元、积分点或节点，依赖于有限元软件提供的输出类型。对于从整套数据中选择的单个数据点，可以在层的级别上进行载荷响应或者失效分析。
在最近发布的交互界面中，针对MSC.Patran层合板模型的上述输入界面进行了进一步开发。使用该界面用户不用再需要将相关的层合板结构同结果联系起来，因为材料和层板数据都是由Patran程序传输到ESComp程序的。而且，每个单元所研究的层结构可以不同。需要研究的单元类型选定之后，可以由Patran程序中的用户交互界面直接调用ESAComp程序来进行详细的后处理。针对ANSYS的相应类似界面正在开发之中。进一步的开发计划包括可能从ESAComp到ANSYS或Patran进行数据回馈，可以使用向量图来查看数据。
三、结论
和金属材料相比，复合材料的设计过程需要附加的阶段。有限元软件包对复合材料的分析起重要作用，但是满足不了复合材料设计需要专门的软件工具的需要。层合板分析工具可以用于层合板初期设计阶段的材料选择和设计。在包括了复合材料行为具体细节的后处理阶段和验证阶段，也同样需要这样的软件工具。ESAComp程序是这类软件的很好典范。
（原文 Markku Palanters, Componeering 公司，芬兰，赫尔辛基）