ANSYS复合材料分析技术介绍

2016-12-12 by:CAE仿真在线来源:互联网

复合材料,是由两种或多种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。

针对复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型,ANSYS提供一种特殊的复合材料单元——层单元,以模拟各种复合材料,铺层数可达250层以上。支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。

铺层结构:ANSYS对每一铺层定义材料性质、铺层角、铺层厚度,通过由下到上的顺序逐层叠加为复合材料层合结构。另外,也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。

板壳和梁单元截面形状:利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式。ANSYS还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。

变厚度板铺层切断:将切断的某铺层厚度定义为零,即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状,如图所示。

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板壳层合结构铺层切断及不同铺层壳的节点偏置对齐

不同铺层数的板壳节点协调:ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置,使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。

蜂窝/泡沫夹层结构:ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性,夹层面板和芯子可以是不同材料。

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夹层结构模拟

板-梁-实体组合结构:ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系,单元的节点不需要重合并协调,便于复杂结构模型的处理。

ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后,可以图形显示或输出每个铺层及层间的分析结果。

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复合材料的位移及单层应力云图

ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性,包括最大应变/应力失效准则,蔡-吴(Tsai-Wu)准则。每种强度准则均可定义与温度相关以考虑温度影响。另外,用户也可自定义最多达六种的失效准则,对特殊复合材料进行失效判断。

复合材料热膨胀系数的各向异性和铺层方向的不对称造成的耦合效应,使复合材料结构即使均匀升温也会在结构内部产生热应力。ANSYS的结构-热耦合分析,可以对复合材料在热环境下的热膨胀应力和结构固化成形过程中100℃~200℃的温差而引起的结构固化变形和残余应力进行分析。ANSYS程序中的材料性质、强度准则均可以定义为随温度变化,以此来引入温度变化对结构物理性能的影响。

另外ANSYS有专用的复合材料前后处理模块ANSYS CompositePrepPost(ACP),它集成于ANSYSWorkbench环境下,可以与ANSYS其它模块实现数据的无缝连接。在workbench中画好网格然后自动导入ACP界面,进行材料属性,铺层角度,纤维方向角等定义好之后,提交给Mechanical进行计算。在ACP界面中还可以方便的进行各种结果的后处理,也可以将结果文件导入经典界面进行后处理。

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