ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析

! ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析!学习重点：

!1、熟悉复合材料的材料特点

工程应用中典型的复合材料为纤维增强复合材料。玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）、碳纤维、石墨纤维、硼纤维等高强度和高模量纤维。复合材料各层为正交各向异性材料（Orthotropic）或者横向各向异性材料（Transversal Isotropic），材料的性能与材料主轴的取向有关。

各向异性Anisotropic，一般的各项同性材料需要两个材料参数弹性模量E和泊松比v。而各向异性在XYZ有着不同的材料属性，而且拉伸行为和剪切行为互相关联。定义其几何方程需要21个参数。

正交各向异性orthotropic，在XYZ有着不同的材料属性，而且拉伸行为和剪切行为无关，定义材料需要9个参数：Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz。

横向各向异性Transversal Isotropic，属于各向异性材料，但是在某个平面上表现出二维上的各向同性。

!2、熟悉复合材料分析所用的ANSYS单元

复合材料单元关键在于能够实现铺层。不同截面属性的梁单元（beam188, beam189, elbow290），2D对称壳单元（shell208, shell209），3D铺层壳单元（shell181, shell281, shell131, shell132），3D铺层实体单元（solid185, solid186, solsh190, solid278, solid279），均能实现复合材料的搭建。其中Beam单元和2D对称壳单元很少使用。SHELL91、SHELL99、SOLID46、SOLID191用于一些以前的分析教程中，但是现在这些单元已经被淘汰，最好选择下列单元区替代他们。用越来越少的单元做越来越多的事情也是趋势。

Shell208和shell209，2D对称壳单元

前者为2节点3自由度单元，后者为3节点3自由度单元，均能用于薄板和中厚板结构（L/h > 5-8）。能够用于复合材料铺层，三明治结构建模。

shell181和shell281, 3D铺层壳单元

前者为4节点6自由度单元，后者为8节点6自由度单元，均能用于薄板和中厚板结构（L/h > 5-8）。能够用于复合材料铺层，三明治结构建模。复合材料计算精度由一阶剪切变形理论决定。shell131, shell132为热分析单元，单元类型分别类似于shell181，shell281。

[注：经典变形理论假设变形后的中位线仍然垂直于中面，且长度不变。一阶变形理论假设变形后的法线仍然为直线且长度不变。三阶阶变形理论假设变形后的法线为三阶曲线。]

solid185和solid186, 3D铺层实体单元

前者为8节点3自由度单元，后者为20节点3自由度单元，用于厚板和实体的复合材料分析，均为六面体单元，均可退化为六棱柱单元。Solid278, solid279为热分析单元，单元类型分别类似于solid185，solid186。

Solsh190，3D铺层实体壳单元

8节点3自由度单元，类似实体单元，但是用于薄板和中厚度板的壳结构分析，其结构行为遵循一阶剪切变形理论。

!3、熟悉复合材料的失效准则

失效准则用于获知在所加载荷下，各层是否失效。用户可从三种预定义好了的失效准则中选择失效准则，或者自定义多达六种的失效准则。三种预定义失效准则是：

最大应变失效准则，它允许有九个失效应变；

最大应力失效准则，它允许有九个失效应力；

Tsai-Wu失效准则，它允许有九个失效应力和三个附加的耦合系数，类似Von Mises应力将拉压状态综合考虑。

失效准则还有Tsai-Hill，Hashin，Puck，LaRC，Cuntze，Face Sheet Wrinkling，Core Failure，Hoffman等，需要根据场合需要选择分析，以后有机会详细展开。

!4、ACP分析结果与APDL分析结果的对比

本例子采用ACP进行分析时，发现与APDL分析结果不同，不知道什么原因。有可能是铺层问题，也有可能是单位问题。但是并没有找出问题所在，，尴尬。。。如有高手，请评论区留言。

ACP铺层非常直观，而APDL铺层不容易分辨。以后要使ACP和APDL结果一致，懂得其原理之后，尽量使用ACP进行处理。

!5、APDL分析步骤

(1) 定义各向异性材料，包括各向弹性模量、泊松比、剪切模量，应力失效参数，应变失效参数。

(2) 铺层。

(3) 建立模型，施加边界条件

(4) 定义求解条件。

(5) 求解。

(6) 后处理查看各层应力位移结果，查看危险系数。

!问题描述

! 一个长方形层合板，长0.05m，宽0.02m，每层厚度5e-4m，共6层，铺层角度为0，-30,30，-45,45,0。力F=10N。

复合材料为横向正交各向异性Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz分别为195e9Pa, 35e9Pa, 35e9Pa,0.28, 0.3, 0.3, 15e9Pa, 3.78e9Pa, 15e9Pa。

应力失效参数：+X:767E6Pa; -X:392E6Pa; +Y:20E6Pa; -Y:70E6Pa; +Z:30E6Pa;

-Z:55E6Pa; Sxy: 41E6Pa; Syz: 30E6Pa; Sxz: 41E6Pa。

应变失效参数：+X:0.05; -X:0.045; +Y:0.08; -Y:0.06; +Z:0.04; -Z:0.045; Sxy: 0.035; Syz: 0.042; Sxz:0.025。

!APDL命令：

finish

/clear