复合材料结构分析中实体单元的应用

复合材料结构分析中实体单元的应用

石建军匡乃航李晓丹任昆

哈尔滨玻璃钢研究院150036

摘要用体单元进行复合材料分析通常要把模型拆分成规则体，利于划分六面体网格，对包含复杂曲面、不规则形状复合材料结构，在进行设计方案优化时需要做大量的前处理操作。通过选取可输入正交

各向异性材料的实体单元，输入与铺层顺序相应的等效模量，可以在保证分析结果有效的前提下，

完成对结构的刚度分析，加快项目研制进度。

关键词复合材料正交各向异性方案优化

The application of solid element in the composite

structure analysis

Shi jianjun Kuangnaihang Lixiaodan

Harbin FRP Institute 150036

Abstract The composite structure is analyzed by dividing the model into regular solid element which is favorable to divide hexahedron grids. As for the composite structure with complex crimp face

or irregular form, a great deal of pre-processing operation is needed during the course of

optimum structural design. The equivalent modulus corresponding to the layer sequence is

input by choosing the solid unit of orthotropic materials, which can not only guarantee

analysis results, but also complete stiffness analysis of the structure, thus accelerate the

research schedule.

Keyword Composite. orthotropic alternative optimum .

1、前言

复合材料构件是层合结构，要对包含复杂曲面的、不规则形状复合材料结构件进行有限元分析，通常是在其他三维设计软件中建好模型后，导入ansys拆分成规则的体，然后划分为适合铺层设计的六面体单元。对以结构刚度为指标的复合材料结构件，在产品研制初期需要对各种方案做初步分析计算，对结构方案进行优选后，再根据强度指标做局部尺寸的设计优化。在结构方案优化的过程中，如果按通常的复合材料构件的有限元分析过程进行操作，需要对模型做大量的反复拆分、构建六面体单元，本文提出一种替代的单元划分方法，在满足产品刚度分析的前提下，简化分析过程、加快产品的研制进度。

2、复合材料分析中单元的等代替换

Ansys提供了可直接按铺层方式输入材料参数的层实体单元，还有可以输入正交各向异性材料的实体单元。在实用分析中，对于由其他CAD/CAM系统导入的模型，采用四面体或不规则六面体单元可以快速完成单元的划分，前者是按层输入材料参数，后者是整个单元做为输入主体，在处理同一个模型时，通过输入与不同铺层相应的等效模量，可以使两种单元分析结果的差异限定在很小的范围内。

2.1复合材料相关单元

在Ansys中，通过建立层结构单元、赋各向异性材料参数、定义铺层角来构建复合材料分析模型，可以完成静力、动力、可靠性等各种复合材料结构分析计算，用实体建模可以提取单元沿厚度方向的应力分布，考核粘接、层间拉伸强度。用于复合材料实体建模主要有solid46、solid191两种层实体单元，都可以用来模拟分层厚壳或分层实体，其中solid46是8结点结构实体单元(SOLID45)的可分层版本，允许最多250个材料层。若需超过250层，可通过用户自定义结构矩阵，或者可将几层单元叠起来，可以完成应力刚化、大变形等分析。SOLID191 是与20节点结构实体单元（SOLID95）对应的分层实体单元，允许最多有100个不同材料层。多于100层则需要将该单元堆积起来，但该单元不支持非线性分析。两种单元的每个节点都有x、y、z三个方向的平动自由度。

图1 SOLID46单元图示图2solid191单元图示

采用上述两种单元进行的复合材料构件分析，都是基于宏观的经典层板理论来完成的，即假定层板由连续、均匀、正交各向异性的各单层构成的连续性材料，在分析结果中可以对每个铺层按强度准则进行校核，以确定材料是否失效以及某个单层失效后对整体结构的影响，由于每个单层均为正交各向异性的连续材料，每一个铺层都有铺层方向，而且复合材料单层纵、横向模量的比值较大，划分网格时需要尽量保证单元为六面体或棱形，保证整体模型中每个铺层材料方向的连续，如果单元形状不规则，如四面体单元，会使整体结构由于局部刚度突降出现较大的变形，因此在做前处理时需要把整体模型尽量拆分成可以扫掠或映射的规则体，对较复杂的模型就要付出大量的时间和精力。

按照经典层板理论，根据铺层数量、铺层角顺序和单层的弹性模量，可以推算出层合板的等效弹性模量，同样呈现为正交各向异性。在设计方案优选过程中，可以只考核结构的整体刚度，对结构的局部强度暂不考虑，待整体结构方案确定后，再根据强度结果对局部做详细的优化设计，此时的分析计算不涉及破坏和损伤扩展，可以沿用金属结构的分析方法，采用能更好地适应不规则形状的、能赋予正交各向异性材料属性的四面体单元来划分网格。

在ansys中提供了solid92 、solid95两种可以输入正交各向异性材料的、用于结构分析实体单元，SOLID92单元有10个节点，Solid95单元有二十个节点，两种单元的节点都有x、y、z三个方向的平动自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变的功能。Solid92具有二次位移型函数，solid95具有完全形函数，可以有任何空间方向，都非常适合于模拟不规则形状的结构，例如由各种CAD/CAM系统产生的网格模型。分析人员拿到产品的模型后，采用这两种单元可以快速有效地进行网格划分，通过赋予单元正交各向异性材料属性，通过局部坐标系和Esys命令调整统一单元的方向，完成后续的结构刚度分析。