ansys复合材料仿真分析及其在航空领域的应用

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1、ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用

2、第1　　4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。　　5.复合材料层合结构分析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应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。　　6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料

3、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，考虑不同温度下的材料性能。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。　　7.复合材料结构层间剪切应力：复合材料层合结构的层间剪切应力，几乎完全依靠层间界面的树脂基体承载，很容易导致层合结构的分层破坏，是整个结构的薄弱环节。通常的有限元分析依据经典的层合板理论，各铺层按平面应力状态计算，不考虑层间应力，不够精确。ANSYS可以利用各铺层单元在厚度方向上的叠加来模拟层合结构，弥补了经典理论的不足，可以精确地求解层间应力。　　8.复合材料结

4、构热应力分析：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。复合材料这一特性与普通均匀材料大为不同，因此复合材料结构的热应力分析必须引起重视。　　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、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。　　三.复合材料结构屈曲失稳实例　　1.工程背景：飞机的复合材料结构中，板加筋结构形式最为常见，如壁

5、板、隔框、翼盒等。通常，飞机的复合材料加筋板的厚度较薄，因此结构分析不仅仅是判断材料的失效破坏和层间剪切破坏，还应该关注结构是否屈曲失稳而破坏。利用ANSYS对某复合材料加筋板的屈曲特性进行分析，并确定结构的极限承载能力。结构壁板和筋条的厚度很小，为典型的板－梁结构，选用ANSYS复合材料板壳单元，同时将单元节点偏置以协调铺层数的变化导致的板结构错层。　　2.复合材料结构屈曲失稳理论　　复合材料结构的屈曲分析可分为特征值屈曲和非线性屈曲。通常特征值屈曲所得出的结果偏大，不够安全，实际工程中应用较少。非线性屈曲分析可以考虑结构大变形、结构初始缺陷、复合材料失效等实

6、际工况，从而获得更为精确的屈曲临界载荷。特别是结构屈曲失稳之前，部分复合材料有可能已经失效破坏，结构的应力将重新分布并且刚度有所减弱。因此考虑复合材料失效后，结构屈曲荷载将有所降低并接近实际。　　3.屈曲分析结果　　首先进行特征值屈曲分析，屈曲临界荷载为808.0KN。但是，在考虑结构几何大变形、应力刚化等实际情况后，非线性屈曲的临界荷载降低为770.1KN。再引入复合材料结构失效对非线性屈曲的影响，因为结构部分失效导致应力重分布和刚度减弱，屈曲临界载荷更降低为656.2KN。计算结果与实验结果只相差5%。　　4.应用小结　　计算过程考虑了结构非线性及材料失效对

7、屈曲临界荷载的影响，实际结果为656.2KN，与试验结果相差仅5%，结果比较精确。而特征值屈曲分析和不考虑材料失效影响的非线性屈曲临界载荷的计算，被证明是不够保守的，难以为复合材料结构屈曲的设计提供准确依据。　　四.结论　　飞机等航空结构中的复合材料结构仿真分析，越来越强调分析精度和贴近工程实际，如要求计算复合材料层间剪切效应、固化成形后的残余热应力、材料部分失效后的结构屈曲失稳等。ANSYS通过对复合材料的铺层定义材料、铺层角以及铺层厚度，来组成“层单元”，以模拟各类航空复合材料层合结构，可以精确地分析材料的失效破坏、层间剪切效应。另外还可以满足飞机结构中复合

8、材料的非线性屈曲失稳、振动特性分析、以及结构的热效应分析等更多仿真需求。