Ansys复合材料结构分析总结（建模篇）

奈文摩尔

2019年12月31日 16:39

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说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud。

复合材料是一种各向异性材料，对于纤维增强复合材料又是一种正交各向异性材料，因此，在进行复合材料结构建模的时候要特别注意的一个重要的问题，就是材料的方向性。下面，就我个人的分析经验，对复合材料结构的建模作一个总结。

1．结构坐标系、单元坐标系、材料坐标系和结果坐标系
建立复合材料结构模型，存在一个结构坐标系，用于确定几何元素的位置，这个坐标可以是笛卡尔坐标系、柱坐标系或者是球坐标系；单元坐标系是每个单元的局部坐标系，一般用来描述整个单元；材料坐标系是确定材料属性方向的坐标系，一般没有专门建立的材料坐标系，而是参考其他坐标系，如整体结构坐标系，或单元坐标系，在Ansys程序中，材料坐标是由单元坐标唯一确定的，要确定材料坐标，只要确定单元坐标就行了；结果坐标系是在进行结果输出时所使用的坐标系，也是一般参考其他坐标系。在Ansys程序中，关于坐标系有人做过专门的总结。见后。

2．用于复合材料结构分析的单元
用于复合材料分析的单元主要有两类，一类是层合单元，如Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191；另一类是各向异性单元，如Solid64；这些材料都有不同的处理方法，层合单元，在一个单元内可以包含多层信息，包括各层的材料、厚度和方向；各项各向异性单元，在一个单元内，只能包含一种材料信息，而且所得到的计算结果还要进行一些处理，因此有一定的局限性。

3．单元坐标的一致性问题

在进行复合材料结构建模的时候，有些时候结构几何比较复杂，很难用统一的坐标来确定单元坐标系，即使对一些规则的几何（如圆桶），在用旋转方法生成几何时，不同的面法向也会带来单元坐标的不一致，这就使得材料输入的时候存在问题并使计算结果错误，因此，在几何建模时要特别注意这一问题，笔者也没有得到一些复杂几何进行单元划分时保持单元一致的合适方法。

4．一个实例

5．    下面的命令流显示了不同的几何生成方法会产生不同的单元坐标方向：
/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 运行上述命令流，查看一下单元坐标，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
改为：
FLST,2,4,3
FITEM,2,22
FITEM,2,21
FITEM,2,111
FITEM,2,112
A,P51X
再看一下单元坐标。

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。