如何利用ANSYS Material Designer，对复合材料进行均质化分析？

作者：李桂花 上海安世亚太结构应用工程师

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复合材料结构的数值模拟由于涉及长度尺度的不同而具有一定的挑战性。虽然微观有限元方法可以用来模拟系统的结构力学问题(解决所有的长度尺度)，但对于复杂大型产品的设计它是不实际的。因为所需的单元数量将是天文数字，计算成本会非常之高。

• 在复合材料有限元分析中，消除尺度问题的标准方法是均质化。即通过计算微观胞元均质化材料参数，将它应用到宏观尺度的模型中，而不是模拟整个复杂的微观结构，从而大大降低计算成本。

• 在材料设计中，均质化过程从代表性的微观胞元（RVE，Representative Volume Element）的建模开始。这需要创建一个简化的几何图形，以及定义组成材料的材料属性。然后，对几何模型进行网格划分进行有限元分析，计算其响应，最终根据这些响应的结果计算均质材料数据。

Material designer（简称MD）是ANSYS v19.2中引入的一种新的均质化工具，用于评估不同材料和结构(复合材料、晶格或用户定义)的有效线弹性和热材料属性。

从子项目中拖动一个MD模块，双击engineer data，定义基本材料属性，本案例材料属性默认结构钢。

双击MD，选择RVE类型为Honeycomb。注意：material designer支持微观尺度的文件，如果单位系统不对，可以通过单击File> SpaceClaim Options > Units来更改当前文档中的单位系统。

单击材料，选择初始材料属性，打勾。

单击geometry，定义几何属性，打勾确认。

单击mesh，定义网格尺寸和方法，或者用默认网格，打勾确认。

单击setting，设置模型材料是正交各向异性还是各向异性，设定对称面等相关信息。

右键或者从菜单栏中选择计算的材料模型，目前支持常值材料模型和变材料模型（例如体积占比不同，材料不同），案例中选择常值材料模型，打勾求解。

点击results，查看结果。

项目主页上，可把计算出来的材料属性共享给分析模型，在材料数据库中，可以看到我们计算出来的材料属性特征。

以上我们在material designer里完整定义了均质化求解复合材料参数的整个过程，除了根据现有的RVE模型进行定义外，您还可以自定义RVE类型，不一一赘述，有兴趣的工程师可以尝试一下。