应用ANSYS的复合材料层合板静强度预测
ANSYS ACP复合材料案例详解-1
ANSYS ACP复合材料案例详解－1该算例为简单层合板分析，描述了从几何模型到后处理的基本操作流程。
1.前处理部分1〉打开ANSYS Workbench，直接拖拽ACP（Pre）到工作界面：2〉双击打开Engineering Data，分别创建单向纤维增强复合材料UD_T700与中心层材料Corecell_A550，详细定义如下：3〉返回Project，打开DesignModeler界面，设置单位制：4〉创建草图：5〉生成surface：6〉双击Model，打开Mechanical界面，设置厚度（此处厚度设置与铺层厚度无关）：7〉网格设置，生成网格：8〉更新流程：9〉双击或者右键-Edit打开ACP，可以看到，Engineering Data中的材料已经自动导入ACP：10〉注意单位设置，另外，ACP操作的每一步都需点击update图标才能更新：11〉创建层板与厚度（Fabrics）：12〉创建Stackups：13〉创建子层合板Sub Laminate：14〉创建铺层参考方向Rosetts：15〉定义Oriented Selection Sets，Point选择几何上的任一点即可，带[]部分，点击[]，再点击左侧相关项，即可自动导入；其中三Resetts代表的是铺层材料的0°方向，16〉查看参考方向，铺层零度方向，以及法向等可点击工具栏图标，如下：17〉右键点击Modeling Groups，创建三个层组，命名如下：18〉在sandwich_bottom下进行第一个层设置，命名为bottom_1，如下：19〉在sandwich_core下进行第二个层设置，命名为core_2，如下：20〉在sandwich_top下进行第三个层设置，命名为top_3，如下：21〉更新，层定义应该如下图所示：22〉返回workbench主界面，更新ACP流程：拖拽Static Structural流程到界面，将ACP的A5连接到Static Structural的B4，选择传递壳数据，连接好的流程见下图：23〉更新结构分析流程，双击打开Mechanical界面，四条边固定支撑，面上施加0.1Mpa压力，边界条件设置如图：2.求解，点击Solve直接求解3.后处理1〉拖拽ACP(Post)流程到ACP(Pre)上，连接效果如下：2〉将Static Structural的结果Solution与ACP后处理的Results部分连接，求解结果文件将被读入到后处理模块，如图：3〉更新流程，保证静态分析与ACP前处理流程上都是绿色对勾标志，刷新ACP后处理的Results部分:4〉双击打开ACP(Post)，在Solution分支下查看变形结果，设置如下：5〉变形结果云图：6〉接下来，配置组合失效准则，创建复合材料结构的失效结果图，两种材料的强度极限最初在Engineer Data中已经定义好。
ANSYS复合材料仿真分析
ANSYS复合材料仿真分析在ANSYS 中可以定义多种材料属性：主菜单-> preprocesser -> Material Prop -> Material Models -> 打开Define Material Model Behavior 对话框-> 顶部菜单中：Material -> New Model ... -> 弹出Define Material ID 对话框-> 定义更多的材料ANSYS复合材料仿真分析2009-05-23 23:31复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。
主要组分是增强材料和基体材料。
复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。
复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。
目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。
飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。
板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。
此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。
一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。
采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。
在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。
复合材料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。
这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。
汽车复合材料层合板准静态力学性能的试验测定
摘要：以应用于某新能源电动汽车的复合材料层合板为研究对象，利用万能试验机和静态应变测试分析系统等 提出了可靠的复合材料层合板准静态拉伸和压缩力学性能试验测定方法，从而为复合材料结构在汽车轻量化中的设 计和应用提供了试验依据。该层合板结构采用 ±45° 交叉铺层方法，由 2 层碳纤维、1 层芳纶纤维和 2 层玻璃纤维层 叠构成。试验结果表明，该复合材料层合板在准静态拉伸时呈现沿 ±45° 方向和层间分离挤压的断裂失效模式，这 与其内部纤维铺层方向是一致的。同时，由于在复合材料板材中加入了增韧和板材失效时起连接作用的芳纶纤维和 玻璃纤维铺层，该复合材料层合板的整体力学性能较常见碳纤维增强复合材料板材，其弹性模量和强度性能均有所 降低。
Ꮐ߇ijMPa Ꮐ߇ijMPa
(a)
(b)
a—正向；b—侧向
图 6 复合材料拉伸试件破坏样貌
160 140 120 100
80 60 40 20
0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
应变ij%
图 7 复合材料准静态拉伸应力 – 应变曲线
160.28
1.81
横向
14.83
155.59
1.55
2．2 准静态压缩测试 复合材料试件准静态压缩破坏后断裂模式如
图 8 所示，可以看到随着试件发生失效破坏，复合材 料中部出现一个与轴向成 45° 的断口，这一现象与 复合材料的铺层有关。同时观察试件侧向破坏面， 可以发现复合材料内部层与层之间还发生了显著的 层间分离和挤压现象。可以看到，试件断裂发生在 平行段，符合 ASTM D6641–2014 测试标准关于复 合材料失效模式的描述 [11–12]，因此该压缩测试试件 均为有效。复合材料试件准静态压缩应力 – 应变曲 线见图 9 所示。可以看到试件的压缩曲线分为典型 的弹性阶段与破坏阶段，并在达到破坏强度时失效。
复合材料层合板强度分析实例
25.51
(MPa)
0
显然，外层单层板1,3中 y =25.51MPa，基本接近 x =352.52MPa,远小
x 1,3 82.0697 5.9401
Nx (MPa）, h
y 1,3 4.3223 0.4653
Nx (MPa） h
xy 1,3 0
代入校验公式，计算出
Nx 45.53(MPa） h 1,3
将其代入第二步（6）的结果中，得 为
2
x
y xy
1,3
2
352.52
0.1508%
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第三步，第一次刚度降低后层合板性能的确定 当 Nx 36.17MPa时，外层1,3单层板未发生破坏，其单层板刚度举证保持不变
h
内层板2在该层板层内横向（层内x轴方向）破坏，但纵向仍然有刚度：
0
0
0
0
0
0
（2）由n层复合材料单层板构成的复合材料层合板自然坐标系内力、内力矩-应 变、曲率关系（见教材P167）可计算层合板拉伸刚度矩阵A
24.42 4.58 0
A
n
Qk (zk
zk
1)
h
4.58
48.78
0
(GPa）
k 1
0 0 8.62
0.0417 0.0039 0
A1
1 h
0.0039 0
Nx
203.49MPa
h 1,3
（2）内层2单层板，仿照上步中的方法，可得：
N x 36.17MPa h2
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ansys实验强度分析报告
ansys有限元强度分析一、实验目的1 熟悉有限元分析的基本原理和基本方法；2 掌握有限元软件ANSYS的基本操作；3 对有限元分析结果进行正确评价。
二、实验原理利用ANSYS进行有限元静力学分析三、实验仪器设备1 安装windows XP的微机；2 ANSYS11.0软件。
四、实验内容与步骤1 熟悉ANSYS的界面和分析步骤；2 掌握ANSYS前处理方法，包括三维建模、单元设置、网格划分和约束设置；3掌握ANSYS求解和后处理的一般方法；4 实际应用ANSYS软件对六方孔螺钉头用扳手进行有限元分析。
五、实验报告1）以扳手零件为例，叙述有限元的分析步骤；答：（1）选取单元类型为92号；（2）定义材料属性，弹性模量和泊松比；建立模型。
先生成一个边长为0.0058的六边形平面，再创建三条线，其中z向长度为0.19，x向长度0.075，中间一段0.01的圆弧，然后把面沿着三条线方向拉伸，生成三维实体1如题中所给形状，只是手柄短了0.01；把坐标系沿z轴方向平移0.01，再重复作六边形面，拉伸成沿z轴相反方向的长为0.01的实体2；利用布尔运算处理把实体1和2粘接成整体。
（4）划分网格。
利用智能网格划分工具划分网格，网格等级为4级。
（5）施加约束。
在扳手底部面上施加完全约束；（6）施加作用力。
在实体2的上部面上施加344828pa（20/（0.01*0.0058））的压强，在实体2的下部面的临面上施加1724138pa(100/0.01/0.0058)的压强；（7）求解，进入后处理器查看求解结果，显示应力图。
2）对扳手零件有限元分析结果进行评价；答：结果如图所示：正确的显示出了受力的最大位置及变形量，同时给出了各处受力的值，分析结果基本正确，具有一定的参考意义。
六、回答下列思考题1.什么是CAE技术？答：CAE是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一个综合过程，关键是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案，或者直接进行设计优化。
复合材料层合板接头疲劳预测方法
复合材料层合板接头疲劳预测方法一、简介先进复合材料是 60 年代中期崛起的一种新型材料，其与金属材料相比具有比强度高、比刚度高、可设计性强等许多优异特性，而减轻飞行器和航空发动机的结构重量一直是设计人员孜孜以求的目标，因此先进复合材料在航空航天飞行器的结构中得到日益广泛地应用，已成为飞行器和航空发动机结构的重要材料之一。
文献[1]认为与金属等一些各向同性材料相比，复合材料具有强度和刚度上的各向异性、内部构造上的不匀性和不连续性等特点。
这些特点致使其疲劳损伤及破坏机理非常复杂。
复合材料破坏形式的多样性和破坏机理的复杂性是它的一个重要特点，这种特点必然会反映到复合材料的连接尤其是机械连接上来。
文献[2]认为对于复合材料，往往在高应力区出现较大规模的损伤，如界面脱胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会相互影响和组合，表现出非常复杂的疲劳破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理。
图1反映了复合材料与金属材料的损伤特点，从图中可以看出，尽管复合材料初始阶段损伤尺寸比金属材料大，但多种损伤形式和增强纤维的牵制作用使复合材料具有良好的断裂韧性和低的缺口敏感性，因此疲劳寿命比金属材料长，且具有较大的临界损伤尺寸。
此外，复合材料的疲劳损伤是积累的，而金属材料的疲劳损伤破坏是突发性的。
总的来说，复合材料的抗疲劳性能比金属材料好得多。
图1 复合材料与金属材料的疲劳性能比较文献[1]认为在结构设计中，为了提高结构效率，提高结构的整体性能始终是主要的手段之一。
复合材料虽然比金属材料具有较好的结构整体性，但是由于设计、工艺和使用维护等方面的需要或限制，就需要存在一些设计和工艺分离面、维护口盖和多种外挂接口等等。
而这些部位的载荷传递必须有相应的连接方式来解决，所以连接设计在复合材料结构中是必不可少的关键环节。
文献[3]认为飞行器结构有70%以上的破坏都是发生在连接部位。
文献[4]认为结构系统的抗疲劳可靠性设计一直是工程界关注的焦点。
基于ANSYS铺层方向对复合材料的力学影响分析
基于ANSYS铺层方向对复合材料的力学影响分析本文首先建立了一个复合材料的层合板模型，并利用ansys研究了不同铺层方向对其力学性能的影响，研究表明：5/-45/45/-45的等效应力最大；铺层方向为0/90/90/0的等效应力最小，为复合材料的优选提供了一种途径。
1 引言复合材料是一种多相材料，由多种性质极不相同的材料组成。
先进的复合材料在本世纪60年代初才发明，最具代表性的为聚合物为基的高性能的碳纤维和硼纤维复合材料。
纤维和基体的力学性能有很大的差异，他们组合起来构成的纤维增强复合材料在弹性常数、线膨胀系数及强度特性方面必然会表现出明显的各向异性。
通过对纤维取向的设计制成的复合材料结构会出现程度不同的各向异性，复合材料性能的可设计性，是复合材料所特有的主要优点。
纤维复合材料是由两种或两种以上不同强度和模量的材料所构成，在纤维和基体材料选定后，尚有许多材料参数和几何参数可变动，而且形成层合结构时每一层的铺设方向又可随意安排，这样就可以人为的改变组分材料的种类、含量，以及铺层方向和顺序。
在一定范围内满足设计中对材料强度、刚度和方向性的要求，可是结构的性能、重量和经济指标等都做到合理的优化组合。
为设计人员提供了一种在一定范围内可随意设计的材料，达到结构设计与材料设计高度统一的优化设计的目的。
冲击现象的共同特点是载荷强度高，作用时间短，尤其作用时间短是区别于其他一般力学现象的重要特征。
在冲击现象中，作用时间一般为毫秒、微秒，甚至毫微秒数量级，在这么短时间内完成施加高强度载荷，以及在被作用物体内造成极高的压力或应力，引起被作用物体内介质运动和材料破坏，这是一系列随时间变化的动态过程。
与冲击效应有关的主要复合材料层合板的材料参数，是层合板的密度和硬度等。
密度越大、硬度越高，由地面冲击反射所造成的层合板破坏程度越严重，对于小质量、高速撞击的弹体来说，高强度合金钢、钨合金和铀合金才是制作弹体的理想材料。
本文研究了不同铺层方式对其力学性能的影响规律。
【产品】FKMinsideANSYS：静强度及疲劳强度评估软件
【产品】FKMinsideANSYS：静强度及疲劳强度评估软件WB-FKM/WB-FKM-Weld工具包是德国CADFEMFKM 规范（德国机械协会主持和通过的机械产品强度评估规范）的基础上，在ANSYS WB内开发的进行结构及焊缝静强度和疲劳强度评估的工具包。
该工具包的最大优势是：基于ANSYS计算模型的模型信息，在图形用户界面定义相关设置（材料及载荷组合），基于有限元分析结果，自动嵌入FKM规范要求的静强度计算和疲劳强度计算流程和方法，自动将应力结果和相关物理量传递给工具包，采用名义应力和局部应力两种方法，在WB内计算并显示静强度安全系数和疲劳强度安全裕度。
该工具包无须手动预先选择评估的热点区域，可以自动计算模型中的每个节点，从而允许工程师确定关键热点区域，从而能节省材料。
图1 FKM焊缝疲劳强度评估图2 材料库FKM的价值主要体现在以下几个方面：（1）FKM规范是德国机械标准协会根据机械产品在实际工程中的应用情况，统计出来的关于极限强度和疲劳强队的使用规则，在欧洲多个工业领域（例如轨道交通、风机、通用机械及能源等领域）已得到大范围的应用（2）FKM规范考虑了机械产品各个方面的影响因素，对于非焊接结构，FKM标准考虑了构件材料、表面粗糙度、表面处理情况、残余应力情况、载荷情况等影响因素；对于焊接结构，FKM标准考虑了构件材料、焊接接头细分类别（FAT值）、表面处理情况、残余应力情况、载荷情况等影响因素。
FKM标准提供了常见的表面处理方法，并针对这些方法给出了表面处理因子的上、下限（3）FKM规范同时采用名义应力法和局部应力法两种方式对机械部件进行评估，通过计算出结构的静强度及疲劳强度的安全系数，保证产品的可靠性及安全性（4）WB-FKM/WB-FKM-WELD工具包基于有限元分析结果，自动嵌入FKM规范要求的静强度计算和疲劳强度计算流程和方法，将ANSYS计算应力结果和相关物理量传递给工具包，在ANSYSWorkbench内计算并显示评估的静强度及疲劳强度利用度（5）WB-FKM/WB-FKM-WELD工具包构建了FKM规范中的图形化的材料库（包含了FKM规范中的所有材料）及在载荷库，相关参数可进行编辑修改，并可以设置载荷组合（6）基于WB-FKM/WB-FKM-WELD工具包用户无须手动预先选择评估的热点区域，可以自动计算模型中的每个节点，从而允许工程师确定关键热点区域，计算分析得到静强度及疲劳强度的利用度，节省材料关注我们：联系我们：。
Ansys复合材料结构分析操作指导书
Ansys10.0 复合材料结构分析操作指导书第一章概述复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成的一种多相固体材料，具有很高的比刚度和比强度（刚度和强度与密度的比值），因而应用相当广泛，其应用即涉及航空、航天等高科技领域，也包括游艇、风电叶片等诸多民用领域。
由于复合材料结构复杂，材料性质特殊，对其结构进行分析需要借助数值模拟的方法，众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。
Ansys软件由美国ANSYS公司开发，是目前世界上唯一一款通过ISO9001质量体系认证的分析设计软件，有着近40年的发展历史，经过多次升级和收购其它CAE(Computer Aided Engineering )软件，目前已经发展成集结构力学、流体力学、电磁学、声学和热学分析于一体的大型通用有限元分析软件，是一款不可多得的工程分析软件。
Ansys在做复合材料结构分析方面也有不俗的表现，此书将介绍如何使用该款软件进行复合材料结构分析。
在开始之前有以下几点需要说明，希望大家能对有限元法有大体的认识，以及Ansys软件有哪些改进，最后给出一些学习Ansys软件的建议。
1、有限元分析方法应用简介有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是建立在严格数学分析理论上的一种数值分析方法。
该方法的基本思想是离散化模型，将求解目标离散成有限个单元(Element)，并在每个单元上指定有限个节点(Node)，单元通过节点相连构成整个有限元模型，用该模型代替实际结构进行结构分析。
在对结构离散后，要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom)，试想一下，节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动，也就是节点的自由度)，节点位移通过求解一系列代数方程组得到，在求得节点位移后，利用节点位移和应力、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应力、应变，应用线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应力、应变等信息。
[整理]Ansys复合材料结构分析总结.
![[整理]Ansys复合材料结构分析总结.](https://img.taocdn.com/s3/m/00857e6c16fc700aba68fc2b.png)
Ansys复合材料结构分析总结说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud，大家要感谢他呀目录1# 复合材料结构分析总结（一）——概述篇5# 复合材料结构分析总结（二）——建模篇10# 复合材料结构分析总结（三）——分析篇13# 复合材料结构分析总结（四）——优化篇做了一年多的复合材料压力容器的分析工作，也积累了一些分析经验，到了总结的时候了，回想起来，总最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后选定Ansys为自己的分析工具，确实有一些东西值得和大家分享，与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。
（一）概述篇复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，其主要优点是具有优异的材料性能，在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料，这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，很多的程序都提供了一些处理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。
笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟（由于研究对象是厚壁容器，不宜采用壳单元），分析结果还是非常好的，而且I-Deas强大的建模功能，但由于课题要求要进行压力容器的优化分析，而且必须要自己写优化程序，I-Deas的二次开发功能开放性不是很强，所以改为MSC.Patran，Patran 提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL（以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容），采用Patran结合Nastran的分析环境，建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型，但最终发现，在得到的最后结果中，复合材料层之间的应力结果始终不合理，而模型是没有问题的（因为在I-Deas中，相同的模型结果是合理的），于是最后转向Ansys，刚开始接触Ansys，真有相见恨晚的感觉，丰富的单元库，开放的二次开发环境（APDL 语言），下面就重点写Ansys的内容。
在ANSYS程序中，可以通过各项异性单元（Solid 64）来模拟，另外还专门提供了一类层合单元（Layer Elements）来模拟层合结构（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的复合材料。
ansys acp复合材料层合板的强度有限元计算
ansys acp复合材料层合板的强度有限元计算ANSYS ACP（Advanced Composite Products）是一款专业的复合材料模拟软件，它可以模拟材料的力学性能、热性能、电性能等多个方面。
利用ANSYS ACP，可以对多种复合材料层合板的强度进行有限元计算，如碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）等。
下面我们将从以下几个步骤来阐述如何利用ANSYS ACP进行CFRP层合板的强度计算。
步骤一：材料建模首先需要在ANSYS ACP中进行材料建模，设置合适的属性参数。
在这一步骤中需要输入的参数包括复合材料层厚度、纤维体积分数、成型方式等。
同时，需要输入材料的弹性模量、剪切模量、泊松比等参数。
步骤二：几何建模在建立完复合材料的材料模型之后，需要进行几何建模。
可以通过手动建模或者借助CAD软件对待分析物件进行建模。
设计文件包括要分析的结构的几何尺寸、荷载信息、边界条件等。
步骤三：网格划分完成几何建模后，需要进行网格划分，将待分析物体切分成若干个小单元，以利于计算。
可采用ANSYS ACP软件自带的网格划分功能，通过设置划分因子和增量因子，得到合适的网格布局和尺寸。
步骤四：载荷设置载荷设置是本次分析的关键，需要根据实际情况设置合适的载荷。
在这里可以设置弯曲荷载，压缩荷载，剪切荷载等，以及总载荷的方向和大小。
步骤五：约束条件设置设定约束条件对于分析的结果也有着重要的影响。
例如，在本次分析中可以设置在板的两端给出固定支座约束（boundary）条件。
步骤六：计算结果的查看完成以上步骤之后，可以开始进行强度有限元计算。
ANSYS ACP会自动求解产生相关计算结果，如材料强度，应力分布等。
需要注意的是，本次分析的结果只是基于材料模型和载荷等参数的理论计算结果，并不能与实验结果完全吻合。
通过以上步骤的学习，读者可以初步掌握如何使用ANSYS ACP对复合材料层合板的强度进行有限元分析。
复合材料层合板准静态压痕实验研究
复合材料学报第24卷 第3期 6月 2007年A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c aVol 124No 13J une2007文章编号:10003851(2007)03015406收稿日期:20060921;收修改稿日期:20061130基金项目:国家自然科学基金(10472107);航空科学基金(04B23002;04B52009)通讯作者:张佐光,教授,博士生导师,主要从事先进树脂基复合材料的研究 E 2mail :zgzhang @复合材料层合板准静态压痕实验研究罗 靓1,张佐光31,李 敏1,沈 真2,杨胜春2(11北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083;21中国飞机强度研究所,西安710065)摘 要: 采用准静态压痕(QSI )实验方法针对多种材料对集中准静态压痕力的损伤阻抗进行了测试。
选取2个特征载荷下的试样进行了超声C 扫描探伤和扫描电镜(SEM )显微观察,分析了QSI 实验中层合板的损伤过程,针对初始分层接触力f 1和最大接触力f 2对材料的损伤阻抗特性进行了分析。
测试了2种材料体系层压板的最大接触力,发现该值具有较好的可重复性。
研究了测试条件(试样尺寸和支持条件)和材料特性(不同纤维、基体种类和铺层方式)对最大接触力的影响。
实验结果表明,试样尺寸和支持条件对最大接触力的影响较小,在必要时可以采用非标试样测试最大接触力,而最大接触力与树脂基体、纤维特性及铺层方式都有关,最大接触力对应的凹坑深度d 2主要由纤维强度和延伸率决定,树脂特性对d 2有影响但影响程度较小。
关键词: 复合材料;层合板;准静态压痕;损伤阻抗中图分类号: TB332 文献标识码:AExperimental study on quasi 2static indentation damage resistance of composite laminatesL UO Liang 1,ZHAN G Zuoguang 31,L I Min 1,SH EN Zhen 2,YAN G Shengchun 2(11School of Materials Science and Engineering ,Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China ;2.Aircraft Strength Research Institute of China ,Xi πan 710065,China )Abstract : The quasi 2static indentation (QSI )damage resistance of composite laminates was tested.Ultrasonic C 2scan and SEM were conducted on QSI specimens under two given loads and the damage process was analyzed.The damage resistance of composite laminates was discussed through the initial delamination contact force f 1and the maximal contact force f 2.The repetitive characteristic of f 2was confirmed by testing two kinds of materials sys 2tems.Moreover ,the effects of the test conditions (specimens dimension and clamp hole diameter )and materials properties (the size of fiber ,resin matrix and plying pattern )on the maximal contact force were studied.The test results indicate that the effect of the specimens dimension and clamp hole diameter on the maximal contact force is neglect 2able ,materials components properties (fiber characteristic ,resin characteristic and plying ways )could influence the maximal contact force and the dent depth d 2corresponding with f 2is principally decided by the strength and elongation of the fiber.K eyw ords : composites ;laminate ;quasi 2static indentation ;damage resistance随着复合材料研究和应用的进一步深入,研究者和使用部门越来越认识到复合材料的韧性性能应包括该材料抵抗冲击事件的能力(或给定冲击力导致的损伤尺寸)和一定损伤状态对结构强度的影响(或对应给定损伤尺寸的强度值),即损伤阻抗和损伤容限[126]。
复合材料层合板的疲劳寿命预测及试验研究
复合材料层合板的疲劳寿命预测及试验研究复合材料层合板是一种新型材料，具有高强度、高刚度、高韧性和轻质等优点。
在航空航天、汽车、船舶、电子、建筑等领域得到广泛应用。
然而，随着使用寿命的延长，复合材料层合板会出现疲劳损伤，从而降低其力学性能。
疲劳寿命是衡量复合材料层合板耐久性能的重要指标，因此，如何准确预测复合材料层合板的疲劳寿命成为了当前研究的热点问题。
一、复合材料层合板的疲劳损伤机理复合材料层合板的疲劳损伤主要有三种形式：疲劳裂纹、层间剥离和纤维失效。
疲劳裂纹是指由于反复的载荷作用产生的疲劳应力，使材料中的裂纹逐渐扩展，从而导致断裂。
层间剥离是指复合材料层合板中各层之间的粘结剪切层界面发生分离，最终导致层间脱粘。
纤维失效是指纤维断裂或拉断，导致复合材料层合板的强度和刚度下降。
二、复合材料层合板疲劳寿命预测方法为了准确预测复合材料层合板的疲劳寿命，需要对其力学性能进行测试和分析，确定其材料参数和疲劳性能。
一般采用有限元方法进行疲劳寿命预测，即将复合材料层合板的结构分解成有限数量的小单元，再利用计算机模拟每个小单元的力学性能，然后将这些小单元组合起来，得出整个结构体系的力学性能及其变化规律，从而得出疲劳寿命。
三、复合材料层合板疲劳寿命试验研究复合材料层合板疲劳试验是验证疲劳寿命预测结果的重要手段。
疲劳试验主要通过模拟实际使用条件，采用交变载荷或者脉冲载荷进行，测量材料的疲劳性能，并记录试验过程中的变形、裂纹扩展和层间剥离等信息。
通过试验可以得到复合材料层合板受不同载荷和振幅下的疲劳寿命，为研究和改善其力学性能提供参考。
四、复合材料层合板疲劳寿命预测和试验研究的应用复合材料层合板作为航空航天、汽车、船舶、电子、建筑等领域中的主要结构材料，其使用寿命和安全性是极为关键的。
通过复合材料层合板疲劳寿命预测和试验研究，可以为其设计和制造提供科学依据，为改善其力学性能提供技术支持和保障。
结语随着科技的不断推进，复合材料层合板在各个领域的应用越来越广泛。
复合材料层合板弹性参数和失效强度多尺度预测和损伤演化过程分析
(12)
其中，
。如图3(f)，层合板模型由于铺层角度差异和单元属性为横观异性材料，通常表现为各向异性材料特征（在特定铺层角度下会表现为面内准各向同性特征），每层单元的材料本构模型如式（13）所示。
在固定翼飞机上，空客A380客机的复合材料用量达到结构重量的25%（复合材料为22%，GLARE为3%）；波音787客机的主机翼和全机身使用全复合材料，该机复合材料用量占到机体结构重量的50%；而与波音787竞争的空客A350XWB客机的复合材料用量更是高达53%。
在旋翼机上，RAH-66武装直升机上复合材料用量达结构重量的50%以上；V-22倾转旋翼机上复合材料用量到达了结构重量50%；欧洲最新研制的虎式（Tiger）直升机，其复合材料用量高达80%。
图3 复合材料层合板多尺度几何结构模型
四、多尺度弹性本构模型复合材料多尺度几何模型（如图3所示）分别对应的材料模型如下：纤维和树脂基体均假定弹性脆性材料，纤维和基体界面粘结完好并组成细观模型，界面开裂归因于纤维或树脂失效所致（如图3(d)）；中观模型（如图3(e)），中间区域的材料属性来自图3(d)中模型的均质化属性；在层合板模型中(如图3(f))，每层材料属性来自图3(e)模型中的均质化材料属性。上述材料模型及其损伤与失效模型具体如：1、多尺度本构关系模型复合材料层合板的试验测试行为表现为脆性断裂特征，如图3(d)所示纤维和树脂采用各向同性弹性模型，二者的本构关系如式（11）所示。
(4)在有限元分析中, 如果上述单胞采用相对面节点等同分割则上式（3）可进一步简化为：顶点节点对，边界节点对和面内节点对。(a) 顶点节点对：对顶点节点 C, D’, B’, C’，式（3）则可表示为：
ANSYS在复合材料力学课程教学中的应用
国家重点发展的航空航天、新能源等高科技领域，对掌握复合材料力学专业知识的人才需求日益增多。
为此，许多工科类高等院校开设了复合材料力学这门课程，其目的是使学生掌握复合材料力学的基础知识和研究方法，并运用所学知识解决传统层合复合材料或现代新型复合材料的各种实际力学问题。
然而，这门课程现有的教学资源匮乏、理论知识抽象、教学形式单一、课堂气氛沉闷等问题仍广泛存在，从而严重影响了该课程的教学质量。
针对这一现状，笔者在复合材料力学课程教学实践的基础上，提出了一种传统教学与ANSYS 软件应用相结合的教学方法。
一、复合材料力学课程教学存在的问题目前复合材料力学的课程教学主要存在以下几点问题，第一，课程内容相对抽象，学生学习积极性不高。
课程中除了对复合材料背景知识的讲解，大部分的内容是关于层合板力学性能理论分析的讲解，这些内容较为抽象难懂，所以除了一些学习较好的学生，大多数学生学习兴趣不高。
第二，课程理论综合性强，学生对知识的理解和接受困难。
该课程是一门理论综合性很强的课程，需要先修的基础课程包括高等数学、材料力学、弹性力学等。
在理论分析过程中，平衡（运动）关系、几何关系要用到上述基本知识，而复合材料本身又具有复杂的物理关系，从而使得理论推导过程非常复杂。
因此，在教学过程中，许多学生对知识的理解和掌握程度不够，独立解决问题能力差。
第三，课程实践性环节较少，学生对知识的应用能力差。
学习复合材料力学的目的是为了能应用所学知识进行复合材料构件的计算和设计，而数值模拟和实验是工程上进行复合材料力学研究的主要手段。
课程往往只讲述理论，没有安排实验和上机的环节，使学生不具备在工程实际中应用知识的能力。
面对以上问题，复合材料力学的教学改革势在必行。
理论教学、数值模拟教学和实验教学应紧密结合，才能提升课程的教学质量，才能满足社会对应用型人才的需求。
二、ANSYS 在复合材料力学课程中应用的优势随着计算机技术的发展，有限元分析软件已逐渐代替编程的手段来实现大型仿真计算。
航空用复合材料层合结构ANSYS有限元分析
复合材料的优势
层合结构的特点
层合结构是复合材料的一种重要形式， 通过将不同材料层层叠加形成，具有 各向异性的特点，对其进行分析需要 采用有限元方法。
复合材料具有高强度、轻质、抗疲劳 等优点，能够显著提高航空器的性能 和安全性。
目的和意义
目的
通过对航空用复合材料层合结构进行 ANSYS有限元分析，探究其力学性 能和损伤演化规律，为优化设计和安 全评估提供依据。
意义
有限元分析能够准确模拟层合结构的 复杂应力分布和变形行为，有助于提 高航空器的结构效率和安全性，对于 推动航空工业的发展具有重要意义。
02
航空复合材料层合结构概述
复合材料的定义和分类
定义
复合材料是由两种或两种以上材 料组成的一种材料，其性能取决 于各个组成材料的性质以及它们 的组合方式。
分类
软件概述
01
全球知名的工程仿真软件
02
提供多物理场仿真能力
支持多种操作系统平台
03
功能模块
前处理模块
支持复杂模型的建立和网 格划分
求解模块
进行各种物理场的仿真计 算
后处理模块
提供丰富的可视化功能和 结果分析工具
在复合材料分析中的应用
高效模拟复合材料的力学 行为
预测复合材料的损伤和破 坏行为
考虑材料的非均匀性和各 向异性
优化设计和改进建议
要点一
总结词
基于有限元分析结果，可以提出优化设计和改进建议。
要点二
详细描述
根据应力和应变分布以及损伤和破坏模式的分析结果，我 们可以提出一系列优化设计和改进建议。例如，可以调整 复合材料的层合顺序、改变连接方式或增加加强筋等措施 来改善结构的力学性能。同时，还可以通过优化工艺参数 和选择合适的材料来提高复合材料的质量和可靠性。这些 建议有助于提高航空用复合材料层合结构的安全性和可靠 性。
基于ANSYS的木质基复合材料的静力学分析
ｃｎｅｉｎ ｆｒ ｅｐｅｔ ｄ ｐ ｃ ｅｔｅｔ ｎｔｅｍ ｊｒ ｔ ｓ ｚｎｓａｄｌｒ ｉ ｌ ｅ ｅ ｔ ｒａ ｉ ｐｏｕｔ ｎｐｏｅｓ ｏｖｎｅｔｏ ｏ ｌ ｏ ｏｓｅｉ ｔ ａ ｎ ａ ｒ ｓ ｏｅ ｎ ｇ ｄｓ ａ ｍ ｎ ｅｓ ｎ ｒｄｃｉ ｒｃｓ， ｐ ｌ ａ ｒ ｍ ｏ ｈ ｏ ｓｅ ａｅ ｐ ｃ ａ ｏ
Ｂａ ｅ ｎ ｔｅ ｆｎｉｅ ｅｅ ｎ ｏｔ ｒ ｓ ｄ ｏ ｈ ｔ ｌ ｍｅ ｔｓ ｆ ｉ ｗａ ｅ ＡＮＳ ＹＳ， ｔｅ ｓｒ ｓ ｎｄ ｄ ｆｒ ｔｏ ｕｌｓ ｏ ｈ ｍａｅ ｉ ｒ ｏ ｌ ｄｅ ｔ ｋ ｔ ｈ ｔｅ ｓ ａ ｅｏ ｍａ ｉｎ ｒ ｅ ｆｔ ｅ ｔｒａ ｗｅ ｅ ｃ ｎｃｕ ｄ ｏ ｍａ ｅ ｉ ｌ
过 程 中不 因 结 构 的部 分 失 效 而 影 响 整 个 结 构 的 工 作 。 本 文 中 分 别 就 不 同铺 层 方 向 四 层 结 构 复 合 板 以及 相 同铺 层
方向单、四层 等厚度板 分别建立模 型 ，并在 相 同受力与 约束情 况下进 行静 力学分析 ，得 出一 些对生产 实际具有
第２ ６卷 第 ５期
２１ ０ ０年 ９月
森
林
工
程
Ｖ０Ｉ２ Ｎｎ ．６ ５ Ｓｐ ｅ ．， ２ ０ ０１
Ｆ ０ＲＥＳＴ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
基 于 Ａ Ｓ Ｓ的 木 质 基 复 合 材 料 的 静 力 学 分 析 ＮＹ
胡 志 栋 ，赵 小 强
（ 北 林 业 大 学 ，哈 尔 滨 东 １０４ ） ５０ ０
ｅｓ Ｆ ｒｓｙＵ ｉｅｓｙ ａｂ ５０ ０ ａｔ ｏｅｔ ｎｖｒｔ，Ｈ ｒｉ １０ ４ ） ｒ ｉ ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｄ ｓ ｌ ｃ ｍｅ ｔａ ｄ ｓｒ ｓ ｆ ｔｅ ｗｏ ｄ — ｂ ｓ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｂ ａ ｄ ｗａ ｎ ｌｚ ｄ ｉ ｈ ｏ ｄｎ ｒ ｃ ｓ ． ｈ ｉｐ ａ ｅ ｎ ｎ ｔｅ ｓ ｏ ｈ ｏ ａ ｅ ｏ ｏ ｉ ｏ ｒ ｓ ａ ａｙ ｅ ｎ ｔｅ ｌ ａ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｅ
风力机复合材料叶片静强度分析与铺层设计
风力机复合材料叶片静强度分析与铺层设计赵旭;王祥云;薛榕融【摘要】Sections 1 through 3 explain and evaluate the results of our exploration mentioned in the title, which we believe are of some use to designers. The core of sections 1 and 2 consists of; (1) the laminate model of the finite element analysis software ANSYS is employed to analyse static strength of a wind turbine blade under aerodynamic, centrifugal and gravity forces; (2 ) self-developed Fortran program has been applied to compute the aerodynamic force based on the momentum and blade element theory. Simulation results, presented in Tables 1 and 2 and Figs. 2 through 7 show preliminarily that: (1) aerodynamic force has the greatest effect on the strength of the blade, while centrifugal force and gravity can be ignored; (2) numerical tests concerning layer direction show that the best direction of fiber is along radial direction and the worst is along circumferential direction; (3 ) the combination of different layer direction and thickness variation analyses shows that fiber along radial direction with slight cross is better than without cross; (4) the best layer design scheme, obtained through varying the composite material of blade from root to tip gradually from solid to 5mm and then to 3 mm thickness, can obtain the minimum deflection and stress.%文章采用有限元方法层合板模型分析风力机叶片在气动力、离心力和重力载荷下的静强度,气动力由动量-叶素理论获得并采用接触对加载,结果袁明气动力是影响叶片强度的主要载荷,其次是离心力和重力,后二者可忽略；铺层方向测试表明:纤维沿展向铺层最佳,沿切向最差；铺层方向组合和变厚度叶片分析表明:铺层沿展向略微交错强度高于不交错；8个铺层方案对比获得最佳方案为从根部到梢部依次采用实心、5mm和3mm铺层,最小变形和应力接近极限情况.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2012(030)006【总页数】5页(P825-829)【关键词】风力机;叶片;气动力;有限元分析;复合材料;失效分析;层合板【作者】赵旭;王祥云;薛榕融【作者单位】西北工业大学航空学院,陕西西安710072;西北工业大学航空学院,陕西西安710072;西北工业大学航空学院,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TK83风力机叶片结构设计和分析是风力机设计工作的一项重要环节，其中，静强度设计与分析是叶片结构设计的关键，直接影响叶片刚度、疲劳特性、振动特性和稳定性，对叶片制造和使用成本有至关重要的作用。
层合板静压痕及压缩强度试验与其数据统计分析
层合板静压痕及压缩强度试验与其数据统计分析张颖【摘要】The compressive ultimate strength variation of laminated composite plate after impact is considered as important foundation for the structural design application of air vehicle. In accordance with the standard testing recommendations of quasi-static indentation and compressive strength after impact ( CAI) for fiber reinforced polymer-matrix composite, this paper carries out the CAI testing experiments for carbon and glass fiber reinforced composite laminates typically chosen from engineering practice. Meanwhile, the test data have been dealt with under mathematical statistics methods to obtain the scatter characteristics and probability distribution fit goodness of effective elastic moduli and ultimate strengths for the indented specimens, also including their A and B based allowables. The results shows that the probability distributions of effective modulus and CAI ultimate strength of the two kinds of laminated composite plates can be considered to remain normal, but carbon fiber reinforced composite laminate presents more brittleness than glass fiber reinforced one.%复合材料层合板在低速能量冲击后的压缩强度变化是航空器结构设计应用的重要依据。
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范围内可以 允许层厚度在单 元面积上以双 线性变 化。 SOL ID46有一个等效的横向刚度, 以允许在横 向上有非零应力、应变和位移。
图 1 SOLID46单元示意图 F ig 1 Sketch m ap of SOLID46 cell
1 2 失效准则的确定 [6] 在 ANSYS软件中有三种预先定义好的破坏准
比。只要 某 单 元的 各 应力 分 量 满足 上 述 某 一 方
1 有限元建模 [ 5]
1 1 单元体选择 ANSYS 软件 中 提供 了 SHELL91、SH ELL99 和
SOLID46三种单元分析复合材料层合板, 本文采用 了 SOLID46单元。
下 面 简 单 介 绍 一 下 SOLID46 单 元 的 特 性。 SOLID46单元是八节点三维实体单元 SOLID45的一 种层叠形式, 它的每个节点有三个自由度, 即沿 x、y 和 z三个方向的平 动自由度, 示意 图如图 1 所示。 该单元主要针对宽厚比小于 10的结构。它可用以 建立叠层壳或实体的有限元模型, 每个单元允许有 多达 250 层的等厚材料层。另外, 该单元在 125层
复合材料是 20世纪 60年代中期崛起的一种新 型材料, 是由两种或两种以上不同物质以不同方式 组合而成, 它可以发挥出各种材料的优点, 克服单一 材料的缺陷, 扩大材料的应用范围。复合材料具有 重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良等优点 [ 1 ] 。 本文要研究二维机织复合材料, 它是由层合板发展 而来的新型复合材料, 目前研究尚未成熟, 还处于试 验和探索阶段。二维机织复合材料层合板是由具有 双向增强的纤维编织而成的, 它不同于层合板的最 大特点就是双向增强, 这使得单层板在相互垂直的 两个方向得到很好的增强 [ 2, 3] 。然而, 对于层合板, 由于铺层顺序的不同, 层合板又表现出不同于单层 板的特殊性质, 本文就是围绕这类机织材料层合板 的静强度特性展开分析的 [ 4] 。
则, 分别为 最大应力破坏准则; ! 最大应变破坏准 则; Tsa iW u破坏准则。本文需要考虑多种破坏模 式, 对同一个应力需要同时与多个准则进行比较, 而 ANSYS自带的三个准则不能满足此功能, 故本文采 用的失效准则是改进后的 H ash in 静载作用失效准 则, 即文献 [ 6]中的疲劳失效判定 方法经过一些变 换得到的关于双向增强机织复合材料静强度失效判 定准则。
收稿日期: 2010 06 09 作者简介: 方括 ( 1984 ), 男, 在读硕士研究生, 研究方向为航空宇航推进理论与工程。
FRP /CM 2011 N o 1
4
应用 ANSYS的复合材料层合板静强度预测
2011年 1月
图 2 微小六面体单元三维应力分布示意图 F ig 2 Three dim ens iona l stress d istr ibu ting m ap of
2
2
2
3
+
13
+
23
# 1 (6)
ZC (n, , R)
S13 (n, , R )
S23 (n, , R)
i, ij分别为第 n 次疲 劳循环时, 单元各正轴 向的应力分量及相应面内的剪切应 力分量; XK ( n,
, R )、YK ( n, , R )和 ZK ( n, , R )分别为第 n 次疲
劳循环时, 单层板各 正轴向疲 劳剩余强 度, 其 中 K
为 T时, 表示拉伸, K 为 C时, 表示压缩; S12 ( n, , R )、S13 ( n, , R )、S23 ( n, , R )分别为相应面内剪切
FR P /CM 2011 No 1
疲劳剩余强度。 为疲劳加载应力; R 为 循环应 力
2
2
2
2
+
12
+
23
# 1 (4)
YC (n, , R)
S12 (n, , R )
S23 (n, , R)
3方向层间拉伸疲劳失效准则, 3 # 0时:
2
2
2
3
+
13
+
23
# 1 (5)
ZT (n, , R )
S13 (n, , R)
S23 ( n, , R )
3方向层间压缩疲劳失效准则, 3 < 0时:
tiny hexahedron ce ll
如上图 2主要研究二维机织复合材料层合板的
拉 拉疲劳性能, 因此主要发展了如下几个疲劳失效
判定准则:
1方向纤维拉伸疲劳失效准则, 1 # 0时:
2
2
2
1
+
12
+
13
# 1 (1)
XT (n, , R )
S12 (n, , R)
S13 ( n, , R )
1方向纤维 基体剪切疲劳失效准则, < 0时:
2011年第 1期
玻璃钢 /复合材料
3
应用 AN SY S的复合材料层合板静强度预测
方 括, 张 青, 闫国华
(中国民航大学航空工程学院, 天津 300300 ) 摘要: 复合材料 层合板的静强度预测对于层 合板设 计和应用 都具有 重要的 意义。为 了提高 预测 的有效 性, 减少 实验成 本, 在基于单层板理论的逐渐累积损伤的静强度预测方法的基础上, 提出了用于二维机织复合材料静强度 的预测方 法。首先, 以 ANSYS有限元分析软件作为 平台, 利 用其自 带的 APDL参数 化语 言建 立有限 元模 型, 并 将铺 层方 式设 定为 [ ( 0, 90) / ( 45) /( 0, 90) / ( 45) / ( 0, 90) ] s, 然后经过 ANSYS软件的计算, 得到最终的预测结果, 最后制 作该铺层方 式的复合 材料层合板 并作拉伸实验, 得到其实验强度, 通过对比预测结果和实验结果验证了该预测方法的有效性。 关键词: ANSYS; 有限元; 层合板; 预测方法 中图分类号: TH140 1 文献标识码: A 文章编号: 1003- 0999( 2011) 01- 0003- 04
2
2
2
1
+
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ12
+
13
# 1 (2)
XC (n, , R)
S12 (n, , R )
S13 (n, , R)
2方向纤维拉伸疲劳失效准则, 2 # 0时:
2
2
2
2
+
12
+
23
# 1 (3)
YT (n, , R )
S12 (n, , R)
S23 ( n, , R )
2方向纤维 基体剪切疲劳失效准则, 2 < 0时: