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1、 ANSYS复合材料仿真分析及其航空领域应用【完整版】 ANSYS 复合材料仿真分析及其在航空领域的应用 复合材料， 是由两种或两种以上性质不同的材料组成。 主要组分是增加材料和基体材料。 复合材料不仅保持了增加材料和基体材料本身 的优点， 而且通过各相组分性能的互补和关联， 获得优异的性能。 复合材料具有比强度大、 比刚度高、 抗疲惫性能好、 各向异性、 以及材料性能可设计的特点， 应用于航空领域中， 可以获得显著的减重效益， 并改善构造性能。 目前， 复合材料技术已成为影响飞机进展的关键技术之一， 渐渐应用于飞机等构造的主承力构件中， 西方先进战斗机上复合材料使用量已达构造总重量的 25%
2、以上。 飞机构造中， 复合材料最常见的构造形式有板壳、 实体、 夹层、 杆梁等构造。 板壳构造如机翼蒙皮， 实体构造如构造连接件， 夹层构造如某些薄翼型和楔型构造， 杆梁构造如梁、 肋、 壁板。 此外，采纳缠绕工艺制造的筒身构造也可视为层合构造的一种形式。 一. 复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合构造的设计， 就是对铺层层数、 铺层厚度及铺层角的设计。 采纳传统的等代设计（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。 在复合材料构造分析中， 已经广泛采纳有限元数值仿真分析， 其根本原理在本质上与各向同性材料一样， 只是离散方法和本构矩阵不同。 复合材 料
3、有限元法中的离散化是双重的， 包括了 对构造的离散和每一铺层的离散。 这样的离散可以使铺层的力学性能、 铺层方向、 铺层形式直接表达在刚度矩阵中。 有限元分析软件， 均把增加材料和基体复合在一起， 争论构造的宏观力学行为， 因此可以忽视复合材料的多相性导致的微观力学行为， 以每一铺层为分析单元。二. ANSYS 复合材料仿真技术及其在航空领域应用复合材料具有各向异性、 耦合效应、 层间剪切等特别性质， 因此复合材料构造的准确仿真， 已成为现代航空构造的迫切需求。 很多 CAE 程序都可以进展复合材料的分析， 但是大多程序并没有供应完备的功能， 使复合材料的准确仿真难以完成。 如有些程序不供应非
4、线性分析力量， 有些不供应层间剪切应力的求解力量， 有些不供应考虑材料失效破坏连续计算力量等等。 ANSYS 作为一款闻名的商业化大型通用有限元软件， 广泛应用于航空航天领域， 为飞机构造中的复合材料层合构造分析供应了完整准确的解决方案。 1. 复合材料的有限元模型建立针对飞机构造中的复合材料层合板、 梁、 实体以及加筋板等构造类型， ANSYS 供应一种特别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， 并供应一系列技术模拟各种简单层合构造。 复合材料层单元支持非 线性、 振动特性、 热应力、 疲惫断裂等各种构造和热的分析功能和算法。 2. 复合材料的层合构造定义：
5、 铺层构造： ANSYS 对于每一铺层可先定义材料性质、 铺层角、 铺层厚度， 然后通过由下到上的挨次逐层叠加组合为复合材料层合构造；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。 板壳和梁单元截面外形： ANSYS 利用截面外形工具可定义矩形、 I 型、 槽型等各种形式； 还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。 3. 特别层合构造的模拟： 变厚度板壳铺层切断： 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外形。（图1 上） 不同铺层板壳的节点协调： 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。 （图 1 下） 蜂窝
6、/泡沫夹层构造： ANSYS 通过板壳层单元来模拟夹层构造的特性， 夹层面板和芯子可以是不同材料。 （图 2） 板梁实体组合构造： ANSYS 将实体、 板壳与梁等不同类型单元通过 MPC 技术相联系， 各类单元的节点不需要重合并协调， 便于飞机等简单构造模型的处理。 4. 复合材料有限元模型的检查： 复合材料构造模型建立后， 可以将板壳和梁单元显示为实际外形， 还可以通过图形显示和列表直观地观看铺层厚度、 铺层角度和铺层组 合形式， 便利模型的检查及校对。 （图 3） 5. 复合材料层合构造分析 ANSYS 层单元支持各种静强度刚度、 非线性、 稳定性、 疲惫断裂和振动特性等构造分析。 完成
7、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（虽然一个单元包含很多铺层）， 依据这些结果可以推断构造是否失效破坏和满意设计要求。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构造安全性， 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， 对特别复合材料进展失效推断。 7. 复合材料构造层间剪切应力： 复合材料层合构造的层间剪切应力， 几乎完全依靠层间界面的树脂基体承载， 很简单导致层合构造的分层破坏， 是整个构造的薄弱环节。
8、 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，不够准确。 ANSYS 可以利用各铺层单元在厚度方向上的叠加来模拟层合构造， 弥补了经典理论的缺乏， 可以准确地求解层间应力。 8. 复合材料构造热应力分析：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， 使复合材料构造即使匀称升温也会在结 构内部产生热应力。 复合材料这一特性与一般匀称材料大为不同， 因此复合材料构造的热应力分析必需引起重视。 ANSYS 的构造热耦合分析， 可以对复合材料在热环境下的热膨胀应力、 构造固化成形过程中 100200的温差而引起的构造固化变形和剩余应力进展分析。
9、 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构造物理性能的影响。 三. 复合材料构造屈曲失稳实例 1. 工程背景： 飞机的复合材料构造中， 板加筋构造形式最为常见， 如壁板、 隔框、 翼盒等。 通常， 飞机的复合材料加筋板的厚度较薄，因此构造分析不仅仅是推断材料的失效破坏和层间剪切破坏， 还应当关注构造是否屈曲失稳而破坏。 利用 ANSYS 对某复合材料加筋板（图 4） 的屈曲特性进展分析， 并确定构造的极限承载力量。 构造壁板和筋条的厚度很小， 为典型的板梁构造， 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构
10、造错层。 2. 复合材料构造屈曲失稳理论复合材料构造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构造大变形、 构造初始缺陷、 复合材料失效等实际工况， 从而获得更为 准确的屈曲临界载荷。 特殊是构造屈曲失稳之前， 局部复合材料有可能已经失效破坏， 构造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， 构造屈曲荷载将有所降低并接近实际。 3. 屈曲分析结果首先进展特征值屈曲分析，屈曲临界荷载为 808. 0KN。 但是， 在考虑构造几何大变形、 应力刚化等实际状况 后， 非线性屈曲的临界荷载降低为
11、 770. 1KN。 再引入复合材料构造失效对非线性屈曲的影响， 由于构造局部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（图 5） 。 计算结果与试验结果只相差 5%。 4. 应用小结计算过程考虑了构造非线性及材料失效对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%， 结果比拟准确。 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， 难以为复合材料构造屈曲的设计供应精确依据。 四. 结论飞机等航空构造中的复合材料构造仿真分析， 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、 固化成形后的剩余热应力、 材料局部失效后的构造屈曲失稳等。 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构造， 可以准确地分析材 料的失效破坏、 层间剪切效应。 另外还可以满意飞机构造中复合材料的非线性屈曲失稳、 振动特性分析、 以及构造的热效应分析等更多仿真需求。