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复合材料梁的分析实战：ANSYS17.0从入门到精通

时间：2023-11-23 理论教育 版权反馈
【摘要】：本例将对一个由复合材料制作的工字梁进行分析。如图11-53所示，有一长3m的工字梁，高度为0.3m，上下翼缘的宽度为0.2m。材料特性为：Ex=181GPa，Ey=Ez=10.3GPa，Gxy=7.17GPa，Gyz=3.78GPa，ν12=0.016。图11-53 模型示意图启动Mechanical APDL Product Launcher 17.0，在弹出的17.0：ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口中分别设置Simulation Environment、Lisence、Working Directory和JobName，单击Run按钮，进入GUI界面。图11-56 Define Material Model Behavior对话框图11-57 各向异性材料参数完成单元类型与材料模型定义后，定义壳的厚度。

复合材料梁的分析实战：ANSYS17.0从入门到精通

本例将对一个由复合材料制作的工字梁进行分析。

如图11-53所示，有一长3m的工字梁，高度为0.3m，上下翼缘的宽度为0.2m。材料为T300/5208，是20层对称分布叠层板，每层的厚度为0.001m，各层的方向角分别为0°、45°、90°、-45°、0°、0°、45°、90°、-45°和0°。材料特性为：Ex=181GPa，Ey=Ez=10.3GPa，Gxy=7.17GPa，Gyz=3.78GPa，ν12=0.016。轴向强度：σx+=1500MPa，σx-=1500MPa，σy+=40MPa，σy-=246MPa，σz+=40MPa，σz-=246MPa，τxy=68MPa（+表示受拉，-表示受压）。工字梁一端固定，另一端受集中力（分别为100N、10000N和100N）。计算工作应力和应变、失效应力和失效层等。

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图11-53 模型示意图

（1）启动Mechanical APDL Product Launcher 17.0，在弹出的17.0：ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口中分别设置Simulation Environment、Lisence、Working Directory（工作目录）和JobName（项目名称），单击Run按钮，进入GUI界面。

（2）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，在弹出的ElementTypes对话框中单击Add按钮，弹出图11-54所示的Library of Element Types对话框，选择单元类型为Shell＞3D 4node181（即SHELL181）。

回到Element Types对话框，选择SHELL181单元，单击Options按钮，弹出SHELL181element type options对话框，设置如图11-55所示。

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图11-54 Library of Element Types对话框

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图11-55 SHELL181 element type options对话框

（3）接下来定义材料模型。

在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Models命令，弹出图11-56所示的Define Material Model Behavior对话框。

选择Structural＞Linear＞Elastics orthotropicl线性、弹性、各向异性材料，弹出Linear Or-thotropic Properties for Material Number1对话框，输入材料参数如图11-57所示。

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图11-56 Define Material Model Behavior对话框

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图11-57 各向异性材料参数

（4）完成单元类型与材料模型定义后，定义壳的厚度。在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Sections＞Shell＞Lay-up＞Add/Edit命令，弹出Create and Modify Shell Sec-tions对话框，如图11-58所示。

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图11-58 Create and Modify Shell Sections对话框

单击AddLayer按钮，添加20个层，定义每层的厚度与方向角如图11-58所示。

（5）运行如下命令进行强度参数的定义。

TB，FAIL，1

TBTEMP，，CRIT

TBDATA，1，0，0，1

TBTEMP，20

TBDATA，10，1500E6

TBDATA，11，-1500E6

TBDATA，12，40E6

TBDATA，13，-246E6

TBDATA，14，40E6

TBDATA，15，-246E6

TBDATA，16，68E6

（6）完成材料参数定义后，开始模型的建立。

在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS命令，弹出图11-59所示的Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，输入1号关键点的坐标（0，0，0）。单击Apply按钮，继续输入关键点坐标，直至完成表11-1所示的关键点坐标的输入。

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图11-59 Create Keypoints in Active Coordinate System对话框

表11-1 关键点坐标

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完成定义的关键点如图11-60所示。

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图11-60 定义关键点

（7）完成关键点定义后，将关键点围成面。在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Arbitrary＞Through KPs命令，拾取1、2、3、4号关键点，连接成面。继续生成面，将5、6、7、8号关键点，9、10、11、12号关键点分别连接成面，完成的模型如图11-61所示。

（8）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Parti-tion＞Areas命令，选中工作区中的所有面，单击OK按钮，完成面的搭接。

（9）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞Manual Size＞Global＞Size命令，弹出图11-62所示的Global Element Sizes对话框，设置单元尺寸为0.1，单击OK按钮，完成单元尺寸定义。

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图11-61 生成面模型

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图11-62 Global Element Sizes对话框

（10）在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh＞Areas＞Mapped＞3or 4 Sided命令，拾取工作区中的全部面，单击OK按钮，完成网格划分，如图11-63所示。

（11）在GUI界面中选择Utility Menu＞Plot Ctrls＞Style＞Size and Shape命令，弹出图11-64所示的Size and Shape对话框。

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图11-63 划分网格

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图11-64 Size and Shape对话框

选中[/ESHAPE]Display of element右侧的on复选框，单击OK按钮，在工作区中显示单元的厚度，如图11-65所示。分层的细节如图11-66所示。

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图11-65 显示单元厚度

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图11-66 分层细节

（12）进入求解器，在GUI界面中选择Utility Menu＞Select＞Entities命令，利用弹出的Select Entities对话框选出X=0的节点，如图11-67所示。

在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Nodes命令，拾取工作区中的全部节点，弹出图11-68所示的Apply U，ROT on Nodes对话框。

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图11-67 选出端面节点

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图11-68 Apply U，ROT on Nodes对话框

选择要约束的自由度为All DOF，单击OK按钮，完成约束后如图11-69所示。

（13）进入求解器，在GUI界面中选择Utility Menu＞Select＞Entities命令，利用弹出的Select Entities对话框选出X=3、Y=0.3、Z=0的节点。注意应使用Reselect。在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes命令，定义荷载为FY=-10000。

利用Select Entities对话框选出X=3、Y=0.3、Z=0.1的节点。注意应使用Reselect。在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes命令，定义荷载为FY=-100。

利用Select Entities对话框选出X=3、Y=0.3、Z=-0.1的节点。注意应使用Reselect。在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes命令，定义荷载为FY=-100。

完成荷载定义后如图11-70所示。

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图11-69 完成约束

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图11-70 完成荷载（边界条件）定义

（14）在GUI界面中选择Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS命令，弹出图11-71所示的/STATUS Command窗口，其中显示了项目的求解信息及输出选项。

同时弹出的还有图11-72所示的Solve Current Load Step对话框，询问用户是否开始进行求解。

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图11-71 /STATUS Command窗口

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图11-72 Solve Current Load Step对话框

单击OK按钮开始求解，当弹出Solution is done！提示时，表明求解完成。

（15）完成求解后，用户即可进入通用后处理器进行处理分析。

在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Deformed Shape命令，弹出图11-73所示的Plot Deformed Shape对话框。

选中Def+undef edge单选按钮，单击OK按钮，即可在工作区中显示图11-74所示的变形图。

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图11-73 Plot Deformed Shape对话框

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图11-74 变形图

在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu命令，弹出图11-75所示的Contour Nodal Solution Data对话框。

在Itemtobe Contoured列表框中选择Nodal Solution＞DOF Solution，Displacement vector sum，单击OK按钮，即可在工作区中看到位移云图，如图11-76所示。以同样的方法显示项目的节点解，如图11-77～图11-80所示。

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图11-75 Contour Nodal Solution Data对话框

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图11-76 显示位移

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图11-77 X方向应力云图

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图11-78 第1主应力云图

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图11-79 XY剪应力云图

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图11-80 第3主应力云图

（16）运行如下后处理命令。

/POST1

ETABLE，NX，SMISC，7

ETABLE，FC，NMISC，1

ETABLE，FCMC，NMISC，2

ETABLE，FCLN，NMISC，3

ETABLE，ILMX，NMISC，4

ETABLE，ILLN，NMISC，5

PRETAB，NX，ILLN，ILMX

PRETAB，FC，FCLN，FCMX

弹出如图11-81和图11-82所示的单元列表。

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图11-81 单元列表（1）

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图11-82 单元列表（2）

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