Ansys10.0 复合材料操作知识（二）

以前搜集的一些资料，并非我原创但是没找到出处，很多年以前的资料，可能版本比较古老，仅给大家做个参考。

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复合材料结构分析包括复合材料层合板结构和复合材料夹芯结构分析。与一般各向同性材料（isotropic material）相比，复合材料的建模过程要复杂些，复合材料各层为正交各向异性材料（orthotropic material），材料的性能与材料主轴的取向有关， 因而在开始复合材料分析之前，笔者认为非常有必要对相关的单元类型及如何选择单元、模型建立、划分网格、施加载荷等基本知识有所认识。建议读者在后面实战过程中能经常返回本章节参考相应的说明，从而加深理解，做到融会贯通。

 

3.1  适用于复合材料结构分析的单元类型

 针对复合材料结构分析，Ansys程序中提供了7种单元类型，分别是SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186、SOLID191单元。单元类型的选择主要依据分析类型和所需的计算结果来确定。下面详细介绍每个单元类型及其应用范围。

1、 SHELL99单元

SHELL99单元为3D线性结构壳单元，包含8个节点，每个节点有6个自由度。该单元适用于薄到中等厚度的板和壳体结构，要求结构的宽（长）厚比大于10（目的使得平面应力假设能够成立）。对于宽（长）厚比小于10的结构则应考虑使用SOLID46单元建模（生成有限元模型）。SHELL99允许多达250层的等厚度材料层，或者是125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。如果材料层大于250层，用户可以通过设置keyopt(2)=3or4来定义材料矩阵。

2、SHELL91单元

SHELL91单元与SHELL99单元类似，不同之处在于它允许的复合材料最多100层，用户不能输入自定义的材料矩阵，另外，SHELL91单元支持塑性、大应变等大变形情况，并可以模拟“三明治”结构。

3、SHELL181单元

SHELL181单元是一种4节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。该单元具有包含大应变的完全非线性性能，最多允许255层复合材料，各层的信息可以通过截面相关命令输入。

4、SHELL190单元

SHELL190单元是一种4节点3D单元，每个节点有3个自由度。该单元具有包含大应变性能，最多允许255层复合材料，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，各层的信息可以通过截面相关命令输入。

5、SOLID46单元

SOLID46单元是8节点3D单元SOLID45的一种层叠形式，每个节点有3个自由度，每个单元最多允许250层的等厚度复合材料，同样允许125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。该单元的另一个特点是可以用几个单元叠加的方式对多于250层的复合材料建模并允许沿厚度方向的横向变形斜率可以不连续，而且用户可以输入自定义的本构矩阵。于8节点壳单元相比，SOLID46单元的阶次要低，因此，在壳结构分析中要得到与SHELL99或SHELL91单元相同的求解结果，需要更密的网格，

6、SOLID186单元

SOLID186单元是20节点3D实体单元，每个节点有3个自由度。每个单元最多允许有250层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，支持材料的非线性行为和大变形。

7、SOLID191单元

SOLID191单元是20节点3D实体单元SOLID195的一种层叠形式，每个节点有3个自由度。每个单元最多允许有100层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续。SHELL191单元不支持材料的非线性行为和大变形。

3.2  建立模型

本节中将简要介绍Ansys中建模一般采用的两种方法，分别是直接建模和从CAD软件中导入模型，以及根据分析类型的不同来选择模型类型。考虑到Ansys分析中绝大部分的模型都要从其他CAD软件中导入，而CAD模型文件有各种各样的格式，比如：IGES、STEP、PARA、CATIA、UG等等，如果对这些格式的特点不熟悉的话，导入结果往往不尽人意。

3.2.1  建模方法

建立Ansys结构分析模型主要有两种方法：直接建模和输入CAD软件中创建好的模型。形状比较简单的模型可以采用直接创建模型，对于形状复杂的模型，建议从CAD软件导入以节省建模时间，导入的CAD模型要尽量简化，放弃不重要的细节，从而减少导入Ansys时过多信息丢失和划分网格失败的几率。

另外，模型的建立需要根据实际分析类型的不同而不同，例如对于板壳结构，如果想采用壳体单元类型（SHELL），则模型只要建立曲面就可以了，不需要建立有厚度的体模型，相应的，如果分析的问题为实体结构，采用的单元为实体单元（SOLID），建立的模型就需要包含厚度信息。

鉴于IGES数据格式在当前数据交换领域有着非常广泛的应用，参考ANSYS帮助文档，编写了如何在ANSYS环境下导入IGES文件，以及相关的修复操作，详细内容见附录A。

3.3  网格划分

根据个人喜好，有的模型借助其他前处理软件也可以划分网格，然后导入ANSYS中进行有限元计算，这不是本文的关注内容。对于没有划分网格的模型，由前面的介绍可知，ANSYS的基本求解思想是离散化的思想，在求解前必须对其划分网格，网格的划分分为定义单元类型、网格生成选项设置和生成网格三个步骤。

3.3.1  定义单元类型

⑴、定义单元类型GUI路径为：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Element Type】|【Add/Edit/Delete】，执行命令后ANSYS会打开如图8所示的对话框，点击Add增加新的单元类型，弹出图9所示单元类型列表对话框。

图9中有两个列表框，左边一个为单元类列表框，右边列表框为该类单元下包含的具体单元，每一种单元都对应一个数字号码。在“Element type reference number”输入框中的数字为单元参考号，这个号码代表了本次结构分析中该单元类型，在划分网格时只要指定单元类型参考号即可将该单元类施加到模型上。

选择单元的原则基本原则是在满足求解精度的前提下尽量采用低维数的单元，选择单元优先级从高到低依次为点、线、面、壳、实体。

⑵、定义实常数

为了准确求解，有时要对所选单元的几何特征进行补充，这些补充通过定义实常数的方式实现。单元实常数的定义通常包括壳单元的厚度、梁单元的截面面积、惯性矩、平面单元的轴对称特性等。

定义实常数GUI路径为：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Real Constant】

Basic Smart Size Settings 包含三级网格密度，“1（fine）”级对应最密的网格，“2”、“3”次之。Advanced Smart Size Settings可以设定全局单元尺寸、内部面积单元尺寸变化梯度，单元扩张或收缩快慢程度以及小孔处单元紧缩度等的设置。

3.3.3  网格划分方法

ANSYS提供了方便快捷的划分网格方法，划分的网格具有较高的质量。主要包括4种网格划分方法：自由网格划分、映射网格划分、延伸网格划分和自适应网格划分。

⑴、自由网格划分

ANSYS程序的自由划分网格功能十分强大，这种网格划分方法没有单元形状的限制，网格也不遵循任何模式，适用于对复杂形状的面和体进行网格划分，这可以帮助用户避免对模型的各个部分分别划分网格后进行组装时存在的部分网格不匹配带来的麻烦。图12为规则几何形状和不规则几何形状自由网划分结果。

⑵、映射网格划分

映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几块，然后选择合适的单元属性和网格控制生成映射网格，映射网格划分适合于规则的面和体，单元成行并且具有明显的规则形状，对面仅适合采用四边形单元，对体仅适合采用六面体单元。对面划分网格时，所用单元必须全部是三角形单元或四边形单元，“全部”之意是划分完毕后的有限元模型中的单元要么是三角形要么是四边形。具体是三角形单元还是四边形单元，这取决于所选的单元类型以及单元形状的设置。例如，单元PLANE42是4节点单元，但也可以退化为3节点三角形单元。

3.3.4  网格质量好坏的判断

⑴、网格质量标准：网格质量是指网格几何形状的合理性，网格质量的好坏直接关系到计算精度，坏的网格甚至会导致计算终止。一般情况下，网格曲面不能过分扭曲、各边各角相差不大、边节点位于边界等分点附近。

⑵、网格质量检查工具：ANSYS程序提供了对单元形状进行检查的工具。需要提醒大家的是，ANSYS程序有时会弹出单元警告信息，但这并不意味着这些单元形状会导致计算结果的不准确。同时，即使程序没有弹出任何警告信息，也不能保证能得到精确的计算结果。执行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Checking Ctrls】|【Shaping Checking】，弹出如图13所示的Shape Checking Controls对话框。从图中可以看出有四个功能项，分别进行介绍。

²  打开单元形状检查和警告模式

每次划分网格时，ANSYS默认执行单元形状检查。无论是通过何种方法生成新单元，ANSYS都会按照事先设置好的形状警告或错误限制参数进行检测。如果有单元形状超过错误限制，系统不仅会给出错误信息，甚至会终止网格的划分，需要对网格参数进行重新设定。

²  关闭形状检查

在有些情况下，用户希望关闭形状检查，只打开警告模式。这时，程序在划分网格时不检查单元形状，只给出警告，这不会导致网格划分失败。

²  查看单元形状检查的结果

选择“Summary”项，程序将会以列表的形式将形状检查的信息显示出来，显示的内容包括长细比、雅克比、角度等各项检查结果。

²  修改单元形状检查参数的限制

在Shape Checking Controls 对话框中选择Change Settings，如图14所示，弹出如图15所示的单元形状参数设置对话框。

这里只介绍第一项：Aspect ratio（纵横比，也称为长细比），以矩形为例，长于宽的比值就是纵横比，这个比值不能太大，也就是不能太瘦长。ANSYS默认的比值上限是20，超过该比值就会提示警告，但不会影响划分网格，一旦超过1000000，ANSYS就会给出出错信息，并终止网格划分。

3.4 加载求解

有限元模型建立完毕后，下一步就是如何为模型施加一定的载荷了。

3.4.1 什么是载荷

在ANSYS中，载荷包括边界条件和激励。结构分析中常见的载荷包括集中力/力矩、分布力、体积力（如重力、磁场力）、位移边界条件等。

3.4.2 如何施加载荷

在ANSYS中，载荷可以施加在实体模型上或者施加在有限元模型上，但最终参与有限元计算的载荷都是施加在有限元模型上。所以施加在实体模型上的载荷最终都会转换到有限元模型上。两种方法都各有优缺点。

²  实体模型的加载

优点：实体模型加载不依赖于有限元网格，因此可以在不改变载荷的情况下改变有限元网格的划分。

缺点：网格划分命令产生的单元处在当前激活坐标系中，而节点位于全局坐标系中，实体模型和有限元模型有着不同的坐标系和载荷方向。

²  有限元模型的加载

优点：可将载荷直接加在主节点上。只需选择所需的节点。

缺点：任何有限元网格的修改都将使得之前施加的载荷失效，另外因为需要先选择节点和单元，这种方法的工作量一般比较大。 

载荷的具体施加请参看第四章的计算实例。

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