用MSC.Nastran计算复合材料层压板层间应力

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1、2003年MSC.Software中国用户论文集用MSC.Nastran计算复合材料层压板层间应力李亚智张培新肖健麻军太西北大学航空学院-1-2003年MSC.Software中国用户论文集用MSC.Nastran计算复合材料层压板层间应力InterlaminarStressAnalysisofCompositeLaminatesByUsingMSC.Nastran李亚智张培新肖健麻军太(西北大学航空学院，西安，710072)摘要:采用MSC.PatranMSC.Nastran软件计算层压复合材料板的层间应力。分析对象是受面内拉伸载荷作用的T300/QY8911准各向同性层压板光滑和含孔

2、板条。用20结点等参实体单元进行离散化，每个子层都视为正交异性材料。以π6准各向同性板为例给出层间应力限元分析结果。计算表明，MSC程序能够分析层压板层间应力；在自由边和孔口附近存在相当可观的层间应力，分析结果可为铺层设计提供参考依据。关键词:复合材料层压板,层间应力,有限元分析,MSC.NastranAbstract:MSC.PatranMSC.NastransoftwareswereusedtoanalyzeinterlaminarstressesofT300/QY8911compositelaminates.Inrectangleplatesofπ6quasi-isotropicl

3、aminatesubjectedtoin-planetension,eachplywastakenasorthotropicmaterialandmodeledby20-nodesolidelementswithoneelementacrossitsthickness.TheanalysisdemonstratestheabilityofMSCsoftwaretoevaluateinterlaminarstresses.Obviousinterlaminarstressconcentrationoccurredatfreeedgesandholeedgesofplyinterfaces.

4、Resultsareplottedfortheplyinterfaceswhichpresentconsiderableinterlaminarstressesandtherebyarelikelytodelaminate.Keywords:compositelaminate,interlaminarstress,FEM,MSC.Nastran1概述层间应力是导致复合材料层压板分层损伤和破坏的主要原因，因此确定层间应力，分析层间应力分布与铺层顺序和铺向角的关系，判断分层损伤的可能性，对于了解层压板结构的静力、疲劳和断裂特性，进而指导铺层设计有重要意义。基于经典层压板理论的复合材料板壳分析

5、主要用于分析层压板的面内应力分布，不能充分考虑各子层之间的相互作用。由于结构形式的多样性，以及层压板铺层顺序和方向的任意性，三维数值分析似乎是唯一能够胜任层间应力分析的方法。本文试图采用MSC.PatranMSC.Nastran软件进行实体建模，用等参实体单元进行离散化，计算受面内拉伸载荷作用的T300/QY8911准各向同性层压板光滑和含孔板条的层间应力。通过分析过程，了解MSC软件系统的适用性，并得到一些工程可用的信息。-2-2003年MSC.Software中国用户论文集2有限元分析模型用MSC.Nastran计算T300/QY8911碳纤维增强双马数值基体复合材料层压板的层间应力

6、。每单层厚度0.125mm，性能参数由表1给出。表1T300/QY8911材料弹性常数*E11(GPa)E22(GPa)E33(GPa)G12(GPa)G23(GPa)G13(GPa)ν12ν23ν13135.08.88.84.473.24.470.330.480.15*由MSC.Patran自动确定。分析了三种特定铺层，它们分别是[-60/-30/0/30/60/90]2s（π6准各向同性，24层）、[-60/0/60]3s（π3准各向同性，18层）和[45/90/-45/02/-45/90/45]s（π4准各向同性，16层）。这里仅以第一种铺层为例，讨论层间应力的分析方法和MSC.N

7、astran软件的应用。计算对象为矩形层压板条，尺寸24mm×12mm×3mm，一种为光滑板条，另一种在板中心有φ3圆孔，均在板条两端受均匀拉伸应力。用MSC.Patran对两种板条分别建立计算模型，具体如下：将坐标原点设在厚度中面矩形中心，x、y和z分别对应矩形板的长、宽和高。由于铺层对称性，取中面（z=0）以上的12层。用三维实体单元Hex20划分网格，沿厚度每单层为一个单元。模型一在所关心的部位（两侧边y=±6，长度中部x=0