ANSYS復(fù)合材料仿真分析及其航空領(lǐng)域應(yīng)用【完整版】

ANSYS復(fù)合材料仿真分析及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組成。

主要組分是增加材料和基體材料。

復(fù)合材料不僅保持了增加材料和基體材料本身的優(yōu)點，而且通過各相組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)，獲得優(yōu)異的性能。

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比剛度高、抗疲憊性能好、各向異性、以及材料性能可設(shè)計的特點，應(yīng)用于航空領(lǐng)域中，可以獲得顯著的減重效益，并改善構(gòu)造性能。

目前，復(fù)合材料技術(shù)已成為影響飛機(jī)進(jìn)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，漸漸應(yīng)用于飛機(jī)等構(gòu)造的主承力構(gòu)件中，西方先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上復(fù)合材料使用量已達(dá)構(gòu)造總重量的25%以上。

飛機(jī)構(gòu)造中，復(fù)合材料最常見的構(gòu)造形式有板殼、實體、夾層、桿梁等構(gòu)造。

板殼構(gòu)造如機(jī)翼蒙皮，實體構(gòu)造如構(gòu)造連接件，夾層構(gòu)造如某些薄翼型和楔型構(gòu)造，桿梁構(gòu)造如梁、肋、壁板。

此外，采納纏繞工藝制造的筒身構(gòu)造也可視為層合構(gòu)造的一種形式。

一.復(fù)合材料設(shè)計分析與有限元方法復(fù)合材料層合構(gòu)造的設(shè)計，就是對鋪層層數(shù)、鋪層厚度及鋪層角的設(shè)計。

采納傳統(tǒng)的等代設(shè)計（等剛度、等強(qiáng)度）

、準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等設(shè)計方法，復(fù)合材料的優(yōu)異性能難以充分發(fā)揮。

在復(fù)合材料構(gòu)造分析中，已經(jīng)廣泛采納有限元數(shù)值仿真分析，其根本原理在本質(zhì)上與各向同性材料一樣，只是離散方法和本構(gòu)矩陣不同。

復(fù)合材

料有限元法中的離散化是雙重的，包括了對構(gòu)造的離散和每一鋪層的離散。

這樣的離散可以使鋪層的力學(xué)性能、鋪層方向、鋪層形式直接表達(dá)在剛度矩陣中。

有限元分析軟件，均把增加材料和基體復(fù)合在一起，爭論構(gòu)造的宏觀力學(xué)行為，因此可以忽視復(fù)合材料的多相性導(dǎo)致的微觀力學(xué)行為，以每一鋪層為分析單元。二.ANSYS復(fù)合材料仿真技術(shù)及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用復(fù)合材料具有各向異性、耦合效應(yīng)、層間剪切等特別性質(zhì)，因此復(fù)合材料構(gòu)造的準(zhǔn)確仿真，已成為現(xiàn)代航空構(gòu)造的迫切需求。

很多CAE程序都可以進(jìn)展復(fù)合材料的分析，但是大多程序并沒有供應(yīng)完備的功能，使復(fù)合材料的準(zhǔn)確仿真難以完成。

如有些程序不供應(yīng)非線性分析力量，有些不供應(yīng)層間剪切應(yīng)力的求解力量，有些不供應(yīng)考慮材料失效破壞連續(xù)計算力量等等。

ANSYS作為一款聞名的商業(yè)化大型通用有限元軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，為飛機(jī)構(gòu)造中的復(fù)合材料層合構(gòu)造分析供應(yīng)了完整準(zhǔn)確的解決方案。

1.復(fù)合材料的有限元模型建立針對飛機(jī)構(gòu)造中的復(fù)合材料層合板、梁、實體以及加筋板等構(gòu)造類型，ANSYS供應(yīng)一種特別的復(fù)合材料單元層單元，以模擬各種復(fù)合材料，鋪層數(shù)可達(dá)250層以上，并供應(yīng)一系列技術(shù)模擬各種簡單層合構(gòu)造。

復(fù)合材料層單元支持非

線性、振動特性、熱應(yīng)力、疲憊斷裂等各種構(gòu)造和熱的分析功能和算法。

2.復(fù)合材料的層合構(gòu)造定義：

■鋪層構(gòu)造：

ANSYS對于每一鋪層可先定義材料性質(zhì)、鋪層角、鋪層厚度，然后通過由下到上的挨次逐層疊加組合為復(fù)合材料層合構(gòu)造；也可以通過直接輸入材料本構(gòu)矩陣來定義復(fù)合材料性質(zhì)。

■板殼和梁單元截面外形：

ANSYS利用截面外形工具可定義矩形、I型、槽型等各種形式；還可以定義各種函數(shù)曲線以模擬變厚度截面。

3.特別層合構(gòu)造的模擬：

變厚度板殼鋪層切斷：

將切斷的某鋪層厚度定義為零，即可模擬鋪層切斷前后的板殼實際外形。（圖1上）

不同鋪層板殼的節(jié)點協(xié)調(diào)：

ANSYS板殼層單元的節(jié)點均可偏置到任意位

置，使不同鋪層數(shù)板殼的節(jié)點在中面或頂面、底面對齊。

（圖1下）

蜂窩/泡沫夾層構(gòu)造：

ANSYS通過板殼層單元來模擬夾層構(gòu)造的特性，夾層面板和芯子可以是不同材料。

（圖2）

板－梁－實體組合構(gòu)造：

ANSYS將實體、板殼與梁等不同類型單元通過MPC技術(shù)相聯(lián)系，各類單元的節(jié)點不需要重合并協(xié)調(diào)，便于飛機(jī)等簡單構(gòu)造模型的處理。

4.復(fù)合材料有限元模型的檢查：

復(fù)合材料構(gòu)造模型建立后，可以將板殼和梁單元顯示為實際外形，還可以通過圖形顯示和列表直觀地觀看鋪層厚度、鋪層角度和鋪層組

合形式，便利模型的檢查及校對。

（圖3）

5.復(fù)合材料層合構(gòu)造分析ANSYS層單元支持各種靜強(qiáng)度剛度、非線性、穩(wěn)定性、疲憊斷裂和振動特性等構(gòu)造分析。

完成分析后，可以圖形顯示或輸出每個鋪層及層間的應(yīng)力和應(yīng)變等結(jié)果（雖然一個單元包含很多鋪層），依據(jù)這些結(jié)果可以推斷構(gòu)造是否失效破壞和滿意設(shè)計要求。6.復(fù)合材料失效準(zhǔn)則ANSYS已經(jīng)預(yù)定義了三種復(fù)合材料破壞準(zhǔn)則來評價復(fù)合材料構(gòu)造安全性，包括最大應(yīng)變/應(yīng)力失效準(zhǔn)則，蔡－吳（Tsai-Wu）

準(zhǔn)則。

每種強(qiáng)度準(zhǔn)則均可定義與溫度相關(guān)，考慮不同溫度下的材料性能。

另外，用戶也可自定義最多達(dá)六種的失效準(zhǔn)則，對特別復(fù)合材料進(jìn)展失效推斷。

7.復(fù)合材料構(gòu)造層間剪切應(yīng)力：

復(fù)合材料層合構(gòu)造的層間剪切應(yīng)力，幾乎完全依靠層間界面的樹脂基體承載，很簡單導(dǎo)致層合構(gòu)造的分層破壞，是整個構(gòu)造的薄弱環(huán)節(jié)。

通常的有限元分析依據(jù)經(jīng)典的層合板理論，各鋪層按平面應(yīng)力狀態(tài)計算，不考慮層間應(yīng)力，不夠準(zhǔn)確。

ANSYS可以利用各鋪層單元在厚度方向上的疊加來模擬層合構(gòu)造，彌補(bǔ)了經(jīng)典理論的缺乏，可以準(zhǔn)確地求解層間應(yīng)力。

8.復(fù)合材料構(gòu)造熱應(yīng)力分析：復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的各向異性和鋪層方向的不對稱造成的耦合效應(yīng)，使復(fù)合材料構(gòu)造即使勻稱升溫也會在結(jié)

構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。

復(fù)合材料這一特性與一般勻稱材料大為不同，因此復(fù)合材料構(gòu)造的熱應(yīng)力分析必需引起重視。

■ANSYS的構(gòu)造－熱耦合分析，可以對復(fù)合材料在熱環(huán)境下的熱膨脹應(yīng)力、構(gòu)造固化成形過程中100℃～200℃的溫差而引起的構(gòu)造固化變形和剩余應(yīng)力進(jìn)展分析。

■ANSYS程序中的材料性質(zhì)、強(qiáng)度準(zhǔn)則均可以定義為隨溫度變化，以此來引入溫度變化對構(gòu)造物理性能的影響。

三.復(fù)合材料構(gòu)造屈曲失穩(wěn)實例1.工程背景：

飛機(jī)的復(fù)合材料構(gòu)造中，板加筋構(gòu)造形式最為常見，如壁板、隔框、翼盒等。

通常，飛機(jī)的復(fù)合材料加筋板的厚度較薄，因此構(gòu)造分析不僅僅是推斷材料的失效破壞和層間剪切破壞，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注構(gòu)造是否屈曲失穩(wěn)而破壞。

利用ANSYS對某復(fù)合材料加筋板（圖4）

的屈曲特性進(jìn)展分析，并確定構(gòu)造的極限承載力量。

構(gòu)造壁板和筋條的厚度很小，為典型的板－梁構(gòu)造，選用ANSYS復(fù)合材料板殼單元，同時將單元節(jié)點偏置以協(xié)調(diào)鋪層數(shù)的變化導(dǎo)致的板構(gòu)造錯層。

2.復(fù)合材料構(gòu)造屈曲失穩(wěn)理論復(fù)合材料構(gòu)造的屈曲分析可分為特征值屈曲和非線性屈曲。

通常特征值屈曲所得出的結(jié)果偏大，不夠安全，實際工程中應(yīng)用較少。

非線性屈曲分析可以考慮構(gòu)造大變形、構(gòu)造初始缺陷、復(fù)合材料失效等實際工況，從而獲得更為

準(zhǔn)確的屈曲臨界載荷。

特殊是構(gòu)造屈曲失穩(wěn)之前，局部復(fù)合材料有可能已經(jīng)失效破壞，構(gòu)造的應(yīng)力將重新分布并且剛度有所減弱。

因此考慮復(fù)合材料失效后，構(gòu)造屈曲荷載將有所降低并接近實際。

3.屈曲分析結(jié)果首先進(jìn)展特征值屈曲分析，屈曲臨界荷載為808.0KN。

但是，在考慮構(gòu)造幾何大變形、應(yīng)力剛化等實際狀況

后，非線性屈曲的臨界荷載降低為770.1KN。

再引入復(fù)合材料構(gòu)造失效對非線性屈曲的影響，由于構(gòu)造局部失效導(dǎo)致應(yīng)力重分布和剛度減弱，屈曲臨界載荷更降低為656.2KN（圖5）

。

計算結(jié)果與試驗結(jié)果只相差5%。

4.應(yīng)用小結(jié)計算過程考慮了構(gòu)造非線性及材料失效對屈曲臨界荷載的影響，實際結(jié)果為656.2KN，與試驗結(jié)果相差僅5%，結(jié)果比擬準(zhǔn)確。

而特征值屈曲分析和不考慮材料失效影響的非線性屈曲臨界載荷的計算，被證明是不夠保守的，難以為復(fù)合材料構(gòu)造屈曲的設(shè)計供應(yīng)精確依據(jù)。

四.結(jié)論飛機(jī)等航空構(gòu)造中的復(fù)合材料構(gòu)造仿真分析，越來越強(qiáng)調(diào)分析精度和貼近工程實際，如要求計算復(fù)合材