Ansys复合材料结构分析操作指导书

更新时间：2024-04-24 07:53:01 阅读量：综合文库文档下载

说明：文章内容仅供预览，部分内容可能不全。下载后的文档，内容与下面显示的完全一致。下载之前请确认下面内容是否您想要的，是否完整无缺。

ANSYS ACP 复合材料分析视频教程推荐度：
相关推荐

Ansys10.0 复合材料结构

分析操作指导书

第一章概述

复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成的一种多相固体材料，具有很高的比刚度和比强度（刚度和强度与密度的比值），因而应用相当广泛，其应用即涉及航空、航天等高科技领域，也包括游艇、风电叶片等诸多民用领域。由于复合材料结构复杂，材料性质特殊，对其结构进行分析需要借助数值模拟的方法，众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。

Ansys软件由美国ANSYS公司开发，是目前世界上唯一一款通过ISO9001质量体系认证的分析设计软件，有着近40年的发展历史，经过多次升级和收购其它CAE(Computer Aided Engineering )软件，目前已经发展成集结构力学、流体力学、电磁学、声学和热学分析于一体的大型通用有限元分析软件，是一款不可多得的工程分析软件。Ansys在做复合材料结构分析方面也有不俗的表现，此书将介绍如何使用该款软件进行复合材料结构分析。在开始之前有以下几点需要说明，希望大家能对有限元法有大体的认识，以及Ansys软件有哪些改进，最后给出一些学习Ansys软件的建议。

1、

有限元分析方法应用简介

有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是建立在严格数学分析理论上的一种数值分析方法。该方法的基本思想是离散化模型，将求解目标离散成有限个单元(Element)，并在每个单元上指定有限个节点(Node)，单元通过节点相连构成整个有限元模型，用该模型代替实际结构进行结构分析。在对结构离散后，要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom)，试想一下，节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动，也就是节点的自由度)，节点位移通过求解一系列代数方程组得到，在求得节点位移后，利用节点位移和应力、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应力、应变，应用线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应力、应变等信息。

2、

Ansys软件的发展近况

Ansys软件目前已发展到Ansys V12版本，从V10开始Ansys加入了一个新的工作环境Workbench，原先的Ansys被称为Ansys (classic)，虽然操作界面不同，但两者的求解器是一样的。Ansys (classic)的前处理功能相对较弱（主要是建模方面），因而往往需要借助第三方软件，如CAD软件。也许是迫于另一个有限元分析软件ABQUS的竞争压力，Ansys推出了新的Workbench工作环境，Workbench在建模、划分网格、求解和后处理上都作了改进，尤其在建模和划分网格方面有了巨大进步，建模方面与传统CAD软件一样采用图形界面，极大地提高了图形的可视性，划分网格采用了Ansys ICEM CFD的功能，使划分的网格更加易控，最重要的是免去了从第三方软件导入模型、网格过程中可能存在的各种问题，实现

了真正的“无缝”连接。顺便提一下，有些人认为Ansys不适合进行非线性分析，我这里想说的是，Ansys中定义了非常多的针对非线性分析的单元，并专门设计了非线性分析求解器，细心的同事可能发现，EUROS公司做叶片结构分析采用的软件就是Ansys (classic)，因而大家对Ansys作复合材料分析应有足够的信心。

3、

学习Ansys软件的一些个人建议

⑴、Ansys软件其实就是一种工程模拟工具，是对实际问题模型化后进行计算模拟，因而结果正确与否，是否符合实际情况需要丰富的工程经验进行判别，切忌盲目相信计算结果；

⑵、在学习Ansys软件之前有必要知道材料力学、弹性力学、有限元的一些知识，比如平面假设是什么意思，其物理意义是什么。有了这些基础知识就能避免犯一些低级错误，在看参考资料时也比较容易理解，此外，由于设计复合材料的计算，因而对复合材料及复合材料板件的性质要有一定的了解，这样在进行材料参数设置时避免出错；

⑶、碰到问题要多看看Ansys的帮助文档，Ansys软件自带的帮助文档非常全面，简直就是一本百科全书，在每个对话框都有“Help”按钮，点击就能打开有针对性的帮助，使用起来很方便；

⑷、要注意与周围的人多讨论和交流，这是获取知识解决问题最快的途径，另外可以多上些论坛网站，很多有限元分析大牛就隐藏在这些论坛里面，上这些论坛会给你带来意想不到的收获，推荐的网站有：机械CAD论坛

(http://www.jxcad.com.cn)、仿真论坛 (http://www.simwe.com)、复合材料在线(www.frponline.com.cn)、百思论坛(http://www.baisi.org)等。

第二章 Ansys10.0 入门

在这一章中，读者将会对Ansys10.0的界面、各个功能模块的作用、Ansys在进行结构分析所采用的一般流程和Ansys在求解过程中产生的具有不同扩展名的文件，共四个方面有全面的了解。在这章的学习过程中读者不必深究每个细节，只需要知道Ansys中都有哪些功能，这些功能在哪里可以找到即可，在后面的章节将详细讲述这些功能的使用。

1、Ansys10.0 图形用户界面

推荐启动路径：【开始】|【所有程序】|【Ansys】，启动后的界面如图1所示。应用菜单(utility menu) 命令流输入窗口主菜单(main menu) 图形显示窗口图1 Ansys10.0 图形用户界面状态栏钮快捷按

应用菜单(Utility Menu)：包含文件管理、选择、列表显示、单项显示、显示控制、参数设置、宏设置以及帮助查询等功能；

主菜单(Main Menu)：该菜单下包含了有限元分析所有的模块，分为前处理、求解、后处理、优化设计等Ansys主要功能，是操作最频繁的区域；

命令流输入窗口：该窗口为Ansys命令的输入区域，在输入命令的同时，会显示相应的提示，点击右边的倒三角可以浏览之前已经输入的命令；

图形窗口：该窗口用于显示几何模型以及处理的结果，比如云图显示变形、应力、应变等；

快捷按钮：为用户提供快捷的图形显示提供辅助，包括快速调整视角、左右上下移动显示模型、放大缩小模型等。小技巧：用Ctrl键+鼠标左中右建组合也能实现这些快捷操作。

2、Ansys各功能模块介绍

Ansys软件的主菜单(Main Menu)中按照一般分析的顺序将各个模块从上到下排列，即，前处理、求解、后处理的顺序。当然在实际求解的过程中没有必要严格按照这一顺序进行，但对于初学者而言，推荐按照这个顺序来进行结构分析，这样有助于在日后进行复杂的有限元分析中仍能保持良好的条理性。下面就各个模块进行分别介绍。

⑴、前处理模块(Preprocessor)：在这个模块中用户可以完成定义单元类型（Element Type）、设定单元实常数（Real Constants）、定义材料属性（Material Props）、建立模型（Modeling）、划分网格（Meshing）等操作，如图2所示。正如第一章所述，Ansys在建模方面不擅长，往往需要借助其它CAD建模软件，将建好的模型导入Ansys中，导入的操作为：【Utility Menu】|【File】|【Import…】，选择合适的格式，然后选择要导入的文件即可。

⑵、求解模块(Solution)：在这个模块中用户可以指定分析类型(Analysis Type)、定义载荷(Define Loads)、对载荷步进行设置(Load Step Opts)、激活求解(Solve)，见图3所示。小提示：点击Unabridged Menu/Abridged Menu可以控制该模块下功能项是以精简模式还是以全部模式显示。

图2 Preprocessor 模块图3 Solution 模块

⑶、一般后处理模块(General Postproc)：用于显示(Plot)、查看、输出整个模型在某个子载荷步(Sub Load Step)、或者特定时间或频率下的结果，也可以将计算和分析结果以文件的形式输出(Write Results)，见图4所示。操作中需首先读入计算结果(Read Results)，例如查看结构分析中某个时刻模型各个位置的变形、应力、应变等信息，图5显示的是某个时刻玻璃钢板在均布压力下的变形云图。

模块图 5 玻璃钢板变形云图图4 General Postproc

⑷、时间历程后处理器(TimeHist Postpro)：用于分析处理指定某个时间范围内模型指定节点上某个结果（比如应力、应变等）随时间或频率变化的情况，对应的菜单项如图6所示。对比两种后处理器可以发现，一般后处理器固定某个时间，查看模型各个节点或单元的结果，时间历程后处理器则是固定某个节点或单元，查看指定物理量随时间的变化情况。

图6 TimeHist Postpro 模块

当然，Main Menu中还有其他一些模块，但对于复合材料结构分析，主要用到的模块就是这些，当需要有其他特殊处理时，相信到那时大家已经拥有相当丰富的经验了，读者完全可以参考Ansys帮助文档或其他资料作进一步学习。

3、 Ansys结构分析采取的一般步骤

本节介绍Ansys结构分析的典型步骤，实际应用中不一定要严格遵照这些步骤。一般结构分析的流程图如图7所示。

选取单元类型，设置单元实常数定义材料属性建立(或导入)模型，划分网格设定边界条件，加载求解处理计算结果，导出结果文件图7 Ansys 结构分析流程图

步骤一：Ansys对每一个有限元分析都默认以’file.ext’的形式创建相关文件，’ext’代表扩展名，而且文件的存放路径默认为【安装盘】/【Documents and Settings 】/【User】。因而，在开始一个新的结构分析前，有必要修改文件的存放路径和文件名，以防止将以前的文件覆盖。指定新的存放路径的操作方法：【File】|【Change Directory…】。更改文件名操作方法：【File】|【Change Jobname…】，此时会弹出对话框，输入新的文件名，注意输入框下面有个’New log and error files ?’，笔者建议勾选这一选项，这样就会创建新的日志文件和错误记录文件，便于将来找出出错原因。

步骤二：选取单元类型（Element Type）并设定单元实常数（Real Constants），定义单元类型：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Element Type】；设定单元实常数：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Real Constants】。Ansys中提供的单元类型多达200多种，每种单元都有各自的特点和适用范围，不可随便选择。总的来说所有单元可以分为三大类：杆单元类（一维 BEAM）、平面单元类（二维 PLANE）、体单元类（三维 SOLID），每种单元都有各自的名字，名字由单元类 + 数字编号组成。例如：PLANE42，PLANE表示该单元属于平面类单元，由于平面类单元中还包含其他很多种单元，所以用42来标识此特定单元。实际上每种单元的数字编号都是独一无二的。单元实常数主要用来进一步描述单元特性，比如你选择梁分析单元BEAM23，Real可以定义其梁的面积、惯性矩和截面高度，如果你选择的是应用于复合材料层合板分析的SHELL91单元，Real可以指定铺层数、铺层方向角、每层的厚度等参数。至于单元类型如何选择，这与分析问题的类型和材料特性有关，后面的章节将详细讲解。

步骤三：定义材料属性，菜单路径：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Material Props】|【Material Models】，弹出Define Material Model Behavior对话框，在对话框左侧窗口选择合适的材料模型。对于复合材料结构分析而言，通常选择Structural里面的材料模型，需要设定的材料参数一般包括弹性模量、剪切模量、泊松比。

步骤四：建立（导入）模型和划分网格。对于形状复杂的模型建议采用专门的建模软件，建立模型菜单路径：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Modeling】，划分网格菜单路径：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Meshing】。模型的建立可以采用自下向上的建模方法或者自上向下的建模方法，这里不做详述，有兴趣的读者可以参考相关Ansys建模书籍。模型建好剩下的就是划分网格了，划分网格前需要先对网格尺寸进行设置，然后将步骤二选好的单元类型应用到需要划分网格的模型上，程序就会自动将网格划分好，如果对划分的网格不满意还可以对局部网格进行优化。

步骤五：设定边界条件和加载，菜单路径：【Main Menu】|【Solution 】|【Define Loads】。边界条件的设定主要包括对需要限定位移的节点的位移(DOF) 进行设置，Ansys中认为边界约束也是一种载荷。载荷包括集中力载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。载荷可以施加在实体模型上也可以施加在有限元模型上。当载荷施加在实体模型上，ANSYS求解时会自动将这些荷载转换到相应的节点和单元上，当改变模型的单元网格划分时，在实体模型上所施加的荷载不受影响，相比较而言，这种方法施加载荷更容易些。

步骤六：求解，菜单路径：【Main Menu】|【Solution】|【Solve】。在执行求解之前一般需要先指定求解类型，指定的方法路径【Main Menu】【|Solution】

|【Analysis Type】|【New Analysis】，求解类型包括Static、Model、Harmonic、Transient、Spectrum、Eigen Buckling、Substructuring。

步骤七：后处理，【Main Menu】|【General Postproc】。在后处理模块，需要先读入计算的结果，然后就可以查看节点计算结果(Nodal Solution)，一般以云图的方式显示应力、应变、位移等信息，还可以将结果以图片的形式保存下来。有时为了更精确地查看信息，需要将结果以文件的形式输出，这时可以采用【Main Menu】|【General Postproc】|【Write Results】的方法输出结果到文件。

4、 Anysis有限元分析中产生的文件

Ansys分析过程中可能产生的文件有10种之多，各种扩展名所包含的意义如下：

.db是数据库文件，里面存储着当前模型数据，以及单元属性、材料性质等信息，是Ansys最重要的文件之一；

.dbb是ANSYS自动生成的当前database的备份。比如你已经有一个file.db，

当你点击save时，ANSYS先把原来的file.db另命名为file.dbb后，新生成一个file.db。db文件中可以包含部分结果； .log是日志文件，以追加时记录所有执行过的命令； .emat是单元矩阵文件，记录有限元单元矩阵数据； .esav是单元数据存储文件，保存单元求解数据； .err是出错记录文件，记录所有运行中的警告错误信息； .rst是结果文件，记录一般结构分析的结果数据； .rth是结果文件，记录一般热分析的结果数据； .rmg是结果文件，记录一般磁场分析的结果数据； .snn是载荷步文件，记录载荷步的载荷信息； .out是输出文件，记录命令执行情况；

第三章 Ansys 复合材料结构分析专题

复合材料结构分析包括复合材料层合板结构和复合材料夹芯结构分析。与一般各向同性材料（isotropic material）相比，复合材料的建模过程要复杂些，复合材料各层为正交各向异性材料（orthotropic material），材料的性能与材料主轴的取向有关，因而在开始复合材料分析之前，笔者认为非常有必要对相关的单元类型及如何选择单元、模型建立、划分网格、施加载荷等基本知识有所认识。建议读者在后面实战过程中能经常返回本章节参考相应的说明，从而加深理解，做到融会贯通。

3.1 适用于复合材料结构分析的单元类型

针对复合材料结构分析，Ansys程序中提供了7种单元类型，分别是SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186、SOLID191单元。单元类型的选择主要依据分析类型和所需的计算结果来确定。下面详细介绍每个单元类型及其应用范围。

1、 SHELL99单元

SHELL99单元为3D线性结构壳单元，包含8个节点，每个节点有6个自由度。该单元适用于薄到中等厚度的板和壳体结构，要求结构的宽（长）厚比大于10（目的使得平面应力假设能够成立）。对于宽（长）厚比小于10的结构则应考虑使用SOLID46单元建模（生成有限元模型）。SHELL99允许多达250层的等厚度材料层，或者是125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。如果材料层大于250层，用户可以通过设置keyopt(2)=3or4来定义材料矩阵。

2、SHELL91单元

SHELL91单元与SHELL99单元类似，不同之处在于它允许的复合材料最多100层，用户不能输入自定义的材料矩阵，另外，SHELL91单元支持塑性、大应变等大变形情况，并可以模拟“三明治”结构。

3、SHELL181单元

SHELL181单元是一种4节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。该单元具有包含大应变的完全非线性性能，最多允许255层复合材料，各层的信息可以通过截面相关命令输入。

4、SHELL190单元

SHELL190单元是一种4节点3D单元，每个节点有3个自由度。该单元具有包含大应变性能，最多允许255层复合材料，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，各层的信息可以通过截面相关命令输入。

5、SOLID46单元

SOLID46单元是8节点3D单元SOLID45的一种层叠形式，每个节点有3个自由度，每个单元最多允许250层的等厚度复合材料，同样允许125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。该单元的另一个特点是可以用几个单元叠加的方式对多于250层的复合材料建模并允许沿厚度方向的横向变形斜率可以不连续，而且用户可以输入自定义的本构矩阵。于8节点壳单元相比，SOLID46单元的阶次要低，因此，在壳结构分析中要得到与SHELL99或SHELL91单元相同的求解结果，需要更密的网格，

6、SOLID186单元

SOLID186单元是20节点3D实体单元，每个节点有3个自由度。每个单元最多允许有250层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，支持材料的非线性行为和大变形。

7、SOLID191单元

SOLID191单元是20节点3D实体单元SOLID195的一种层叠形式，每个节点有3个自由度。每个单元最多允许有100层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续。SHELL191单元不支持材料的非线性行为和大变形。

3.2 建立模型

本节中将简要介绍Ansys中建模一般采用的两种方法，分别是直接建模和从CAD软件中导入模型，以及根据分析类型的不同来选择模型类型。考虑到Ansys分析中绝大部分的模型都要从其他CAD软件中导入，而CAD模型文件有各种各样的格式，比如：IGES、STEP、PARA、CATIA、UG等等，如果对这些格式的特点不熟悉的话，导入结果往往不尽人意。

3.2.1 建模方法

建立Ansys结构分析模型主要有两种方法：直接建模和输入CAD软件中创建好的模型。形状比较简单的模型可以采用直接创建模型，对于形状复杂的模型，建议从CAD软件导入以节省建模时间，导入的CAD模型要尽量简化，放弃不重要的细节，从而减少导入Ansys时过多信息丢失和划分网格失败的几率。

另外，模型的建立需要根据实际分析类型的不同而不同，例如对于板壳结构，如果想采用壳体单元类型（SHELL），则模型只要建立曲面就可以了，不需要建立有厚度的体模型，相应的，如果分析的问题为实体结构，采用的单元为实体单元（SOLID），建立的模型就需要包含厚度信息。

鉴于IGES数据格式在当前数据交换领域有着非常广泛的应用，参考ANSYS帮助文档，编写了如何在ANSYS环境下导入IGES文件，以及相关的修复操作，详细内容见附录A。

3.3 网格划分

根据个人喜好，有的模型借助其他前处理软件也可以划分网格，然后导入ANSYS中进行有限元计算，这不是本文的关注内容。对于没有划分网格的模型，由前面的介绍可知，ANSYS的基本求解思想是离散化的思想，在求解前必须对其划分网格，网格的划分分为定义单元类型、网格生成选项设置和生成网格三个步骤。

3.3.1 定义单元类型

⑴、定义单元类型GUI路径为：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Element Type】|【Add/Edit/Delete】，执行命令后ANSYS会打开如图8所示的对话框，点击Add增加新的单元类型，弹出图9所示单元类型列表对话框。

图8 单元类型定义

图9 单元类型列表

图9中有两个列表框，左边一个为单元类列表框，右边列表框为该类单元下包含的具体单元，每一种单元都对应一个数字号码。在“Element type reference number”输入框中的数字为单元参考号，这个号码代表了本次结构分析中该单元类型，在划分网格时只要指定单元类型参考号即可将该单元类施加到模型上。

选择单元的原则基本原则是在满足求解精度的前提下尽量采用低维数的单元，选择单元优先级从高到低依次为点、线、面、壳、实体。

⑵、定义实常数

为了准确求解，有时要对所选单元的几何特征进行补充，这些补充通过定义实常数的方式实现。单元实常数的定义通常包括壳单元的厚度、梁单元的截面面积、惯性矩、平面单元的轴对称特性等。

定义实常数GUI路径为：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Real Constant】

图10 SHELL99单元实常数定义

SHELL99单元是复合材料分析常采用的单元类型之一，图10展示了SHELL99单元实常数定义对话框，对话框中NL用于指定该复合材料有多少层，最多可以包含250层，LSYM用于设定复合材料的铺层是否对称，若对称铺层，在输入框中输入数字“1”，ADMSUA用于指定单位面积质量，也就是惯性力。其他的很多壳单元也需要设置类似的实常数。

3.3.2 网格密度控制

在划分网格时，仅仅定义了单元类型是不够的，还需要对单元网格的尺寸或密度进行设定，对网格密度设定后，ANSYS程序会自动根据设定值进行网格划分。网格密度设置GUI操作如下：

【Main Menu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【Size Cntrls】

在Size Cntrls菜单下有多种网格密度设置方法，可以手动设置也可以利用程序进行智能控制。一般手动设置通过选定某条边线，指定该边线上点的分布，程序将以这些点为节点划分网格。智能网格密度控制有两种方式，分别是“Basic”和“Adv Opts”，见图11所示。

图11 智能网格密度控制

Basic Smart Size Settings 包含三级网格密度，“1（fine）”级对应最密的网格，“2”、“3”次之。Advanced Smart Size Settings可以设定全局单元尺寸、内部面积单元尺寸变化梯度，单元扩张或收缩快慢程度以及小孔处单元紧缩度等的设置。

3.3.3 网格划分方法

ANSYS提供了方便快捷的划分网格方法，划分的网格具有较高的质量。主要包括4种网格划分方法：自由网格划分、映射网格划分、延伸网格划分和自适应网格划分。

⑴、自由网格划分

ANSYS程序的自由划分网格功能十分强大，这种网格划分方法没有单元形状的限制，网格也不遵循任何模式，适用于对复杂形状的面和体进行网格划分，这可以帮助用户避免对模型的各个部分分别划分网格后进行组装时存在的部分网格不匹配带来的麻烦。图12为规则几何形状和不规则几何形状自由网划分结果。

图12 自由网格划分

⑵、映射网格划分

映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几块，然后选择合适的单元属性和网格控制生成映射网格，映射网格划分适合于规则的面和体，单元成行并且具有明显的规则形状，对面仅适合采用四边形单元，对体仅适合采用六面体单元。对面划分网格时，所用单元必须全部是三角形单元或四边形单元，“全部”之意是划分完毕后的有限元模型中的单元要么是三角形要么是四边形。具体是三角形单元还是四边形单元，这取决于所选的单元类型以及单元形状的设置。例如，单元PLANE42是4节点单元，但也可以退化为3节点三角形单元。

3.3.4 网格质量好坏的判断

⑴、网格质量标准：网格质量是指网格几何形状的合理性，网格质量的好坏直接关系到计算精度，坏的网格甚至会导致计算终止。一般情况下，网格曲面不能过分扭曲、各边各角相差不大、边节点位于边界等分点附近。

⑵、网格质量检查工具：ANSYS程序提供了对单元形状进行检查的工具。需要提醒大家的是，ANSYS程序有时会弹出单元警告信息，但这并不意味着这些单元形状会导致计算结果的不准确。同时，即使程序没有弹出任何警告信息，也不能保证能得到精确的计算结果。执行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Checking Ctrls】|【Shaping Checking】，弹出如图13所示的Shape Checking Controls对话框。从图中可以看出有四个功能项，分别进行介绍。

图13 单元形状检查控制

? 打开单元形状检查和警告模式

每次划分网格时，ANSYS默认执行单元形状检查。无论是通过何种方法生成新单元，ANSYS都会按照事先设置好的形状警告或错误限制参数进行检测。如果有单元形状超过错误限制，系统不仅会给出错误信息，甚至会终止网格的划分，需要对网格参数进行重新设定。

? 关闭形状检查

在有些情况下，用户希望关闭形状检查，只打开警告模式。这时，程序在划分网格时不检查单元形状，只给出警告，这不会导致网格划分失败。

? 查看单元形状检查的结果

选择“Summary”项，程序将会以列表的形式将形状检查的信息显示出来，显示的内容包括长细比、雅克比、角度等各项检查结果。

? 修改单元形状检查参数的限制

在Shape Checking Controls 对话框中选择Change Settings，如图14所示，弹出如图15所示的单元形状参数设置对话框。

图14 单元形状参数设置

图15单元形状参数设置

这里只介绍第一项：Aspect ratio（纵横比，也称为长细比），以矩形为例，长于宽的比值就是纵横比，这个比值不能太大，也就是不能太瘦长。ANSYS默认的比值上限是20，超过该比值就会提示警告，但不会影响划分网格，一旦超过1000000，ANSYS就会给出出错信息，并终止网格划分。

3.4 加载求解

有限元模型建立完毕后，下一步就是如何为模型施加一定的载荷了。 3.4.1 什么是载荷

在ANSYS中，载荷包括边界条件和激励。结构分析中常见的载荷包括集中力/力矩、分布力、体积力（如重力、磁场力）、位移边界条件等。

3.4.2 如何施加载荷

在ANSYS中，载荷可以施加在实体模型上或者施加在有限元模型上，但最终参与有限元计算的载荷都是施加在有限元模型上。所以施加在实体模型上的载荷最终都会转换到有限元模型上。两种方法都各有优缺点。

? 实体模型的加载

优点：实体模型加载不依赖于有限元网格，因此可以在不改变载荷的情况下改变有限元网格的划分。

缺点：网格划分命令产生的单元处在当前激活坐标系中，而节点位于全局坐标系中，实体模型和有限元模型有着不同的坐标系和载荷方向。 ? 有限元模型的加载

优点：可将载荷直接加在主节点上。只需选择所需的节点。

缺点：任何有限元网格的修改都将使得之前施加的载荷失效，另外因为需要先选择节点和单元，这种方法的工作量一般比较大。

载荷的具体施加请参看第四章的计算实例。

第四章复合材料计算实例

在有了前几章知识做铺垫，这一章我们来学习两个复合材料分析的例子，加深复合材料分析的理解，也希望读者能从中收获一些经验。在这里将第二章的流程图再次拿出来，进一步熟悉ANSYS有限元分析的基本过程。

4.1 层合板受压分析

4.1.1 问题描述

层合板指的是仅仅由FRP层叠而成的复合板材，中间不包含芯材，板材的性能不仅与纤维的弹性模量、剪切模量有关，还与纤维的铺层方向有着密切关系。本例中的板材有4层厚度为0.025m的单元板复合而成，单元板的铺层方向为0°、90°、90°、0°，见图13所示。单元板的材料属性见表4.1。

表 4.1 单元板材料属性

EX/MP EY/MP EZ/MP GXY/MP GYZ/MP GXZ/MP PRXY 12.5 300 300 50 20 50 0.25 PRYZ 0.25 PRXZ 0.01

图13 复合材料板

4.1.2 求解步骤

根据问题描述，所要分析的问题为壳体结构的复合材料板，可以采用SOLID46单元建立3D有限元模型进行分析。结合图7的一般步骤进行分析。

步骤一：选取单元类型，设置单元实常数

⑴、在开始一个新分析前，需要指定文件保存路径和文件名。

文件保存路径GUI：【Utility Menu】|【File】|【Change Directory】见图14 指定新的文件名GUI：【Utility Menu】|【File】|【Change Jobname】见图15所示

图14 指定文件保存路径

图15 修改文件名

⑵、选取单元类型 1） 2）

选取单元类型的GUI操作：【Main Menu】【Preprocessor】|【Element |Type】|【Add/Edit/Delete】，执行后弹出Element Types对话框。在Element Types对话框点击Add定义新的单元类型，弹出“Library of Element Types”对话框，见图16所示，按图中所示选择，单元类型参考号输入框中输入数字1。

图16 单元类型对话框

3）

点击“OK”，回到“Element Types”对话框见图17所示，从图中可以看到，定义的单元类型参考号为1，单元类型对应为SOLID46。

图17 已经定义好的单元类型

4）

接下来，还要对单元类型做一些选项设置，点击“Options”，弹出“SOLID46 element type options”对话框，在“Form of input”下拉选择列表中有三个选项，分别是各材料层厚度相同、变厚度材料层、自定义宏观材料本构矩阵，选择不同的选项，会导致后面需要输入的材料参数不同。由于本例各层厚度相同，选择“Const thk layer”项，点击“OK”，弹出“More SOLID46 element type options”，在K8选项中选择“All layers”，然后单击OK，随后单击ElementTypes对话框上的Close，关闭该对话框，完成单元类型选择，见图18。

图18 单元类型关键字设置

⑶、设置单元实常数

单元实常数设置GUI路径为【Main Menu】【|Preprocessor】【Real Constants】||【Add/Edit/Delete】，执行后出现Real Constants对话框，单击Add按钮，出现Element Type for Real Constants对话框，单击OK，出现Real Constant Set Number1, for SOLID46，如图19左图所示。在NL框中输入4，表示一共有4层，在LSYM框中输入1，表示对称铺层。

图19 单元实常数设置

按图19设置完后点击OK，出现Real Constant Set Number1, for SOLID46对话框，见图19右图所示，按图中所示进行设置，点击OK关闭对话框。最后单击Real Constants对话框上的Close按钮完成实常数设置。

步骤二：定义材料属性

与各项同性材料一样，复合材料在定义材料性质时，需要定义弹性模量、剪切模量和泊松比，所不同的是复合材料需要定义各个方向上的材料性质。定义材料属性的GUI路径为：

【Main Menu】|【Preprocessor】|【Material Props】|【Material Models】执行完后弹出Define Material Model Behavior对话框，见图20所示，按图中所示选择材料。

图20 材料属性列表框

选择完后弹出Linear Orthotropic Properties for Material Number1对话框。见图21所示。按图示输入材料属性值。在这里做一点说明，ANSYS软件允许用户使用任何一套相匹配的单位体系，比如：长度、力、时间、温度分别采用m、N、s、℃作为单位，或采用英制单位体系。单击OK关闭对话框，在Define Material Model Behavior对话框上选择【Material】|【Exit】，结束材料属性定义。

图21 材料属性设置对话框

步骤三：创建几何模型、划分网格 ⑴、建立几何模型

图22 创建几何模型对话框

图23 创建的几何模型

⑵、划分网格

由第三章中的介绍知道，在划分网格前还需要对网格密度进行设置。这里采用手动的方法进行设置。手动设置时需要先选中欲控制网格密度的边线，指定其上的节点分布。在长宽方向的边线上放置40个节点，在厚度方向上放置4个节点，具体操作如下：

1）

长宽方向上放置节点

执行【Utility Menu】|【Select】|【Entities】命令，出现Select Entities对话框，见图24a、b所示，按图所示进行设置，图24a中点击Apply按钮，图24b中点击OK。

（a）（b）

图24 选择Z坐标为0及0.1的所有边线

图25 手动控制节点分布

2）

厚度方向放置节点

执行【Utility Menu】|【Select】|【Entities】命令，出现Select Entities对话框，见图26所示，按图所示进行设置，点击Invert按钮，然后点击Cancel完成对剩余边线的选择。

图26 选择剩余边线

3）

划分网格

图26 网格划分设置

设置完后点击Mesh，在绘图区用鼠标单击模型，划分的网格效果见图27所示。

图27 网格划分效果展示

步骤四：设定边界条件、加载 ⑴、设置分析类型

执行【Main Menu】|【Solution】|【Analysis Type】|【New Analysis】，出现New Analysis对话框，选择分析类型为Static，单击OK结束分析类型设置。

⑵、设置边界约束和加载

由于边界条件和载荷需要加载到单元节点上，因而需要先选中目标节点。在本例中，由于实体模型比较简单，给大家介绍一种快速选择边界，然后施加边界约束和表面压力的方法。

图28 约束施加边界选择对话框

图29 边界约束设置对话框

图30 角点四条边线的约束效果

下面对表面施加压力荷载，需要先选择节点，然后再施加载荷，执行【Utility Menu】|【Select】|【Entities】，弹出图31所示的Select Entities对话框，按图中所示进行设置，设置完后点击OK，就选择了所有z坐标为0.1的节点。

图31 选择需要施加压力的节点

图32 施加表面压力对话框

图 33 表面压力施加效果图

步骤五：求解

这一步比较简单，首先执行【Utility Menu】|【Select】|【Everything】命令，选择所有的实体，注意，这一步操作不可以省略，否则将有部分单元和实体不参与计算；然后执行【Main Menu】|【Solution】|【Solve Current LS】，出现Solve Current Load Step对话框，点击OK按钮，ANSYS开始求解计算。计算结束后会出现Note提示框，见图34所示，单击Close关闭该对话框。

图34 求解结束提示框

步骤六：查看计算结果

在查看计算结果之前，需要先读入结果，执行【Main Menu】【General Postpro】||【Read Results】|【Last Set】，读取最终的求解结果；

图35 合位移等值线云图

图36 等效应力等值线云图

图37 列表显示节点位移信息

此外，用户还能够查看指定节点的数据，操作方法是先选中这些节点（可以在图形显示窗口中用鼠标选择，也可以用坐标的方法选择），然后采用上面提到的方法列表显示节点数据即可。

附录A：Ansys中如何使用IGES格式文件

IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是不同CAD/CAE软件系统之间数据交换的一种规范，Ansys也支持读入和输出这一类型的数据文件。Ansys读入该文件类型有两种模式（见附图1红线框内）：

（1）光滑模式(SMOOTH)，对应选项”No Defeaturing”，这种模式不会对原模型做任何修改，而且Ansys不会创建体积（只创建点、线、面元素），导入的模型一般需要手动进行修复，需要用到的几何修复工具位于前处理器（Preprocessor）模块中。

（2）小平面模式（FACETED），对应选项“Defeature Model”，在这种模式下Ansys会自动执行点、线、面的合并操作，并且自动创建用于网格划分的体积，该模式主要用于对模型进行简化。如果在导入模型过程中出现问题，Ansys会弹出相应的几何修改工具。注：对于大尺寸或复杂的模型，不推荐采用FACETED模式。

附图1 Ansys 导入IGES文件选项设置

下面将详细讲解两种模式使用过程需要注意的问题。

1 SMOOTH模式

GUI路径：【Utility Menu】|【File】|【Import】|【IGES】，选择“No defeaturing”。

建议导入IGES格式数据时首先尝试采用SMOOTH模式，如果利用几何修复工具仍无法修复导入模型上的缺陷，再考虑采用FACETED模式。

1.1 CAD软件建模注意事项

? 如果生成的模型是轴对称的，注意对称轴选择Y轴。

? 避免创建闭合曲线（即曲线的起点和终点重合）和闭合曲面（比如曲

面起始和终止边重合）。因为Ansys中曲线应该至少包含两个关键点，所以无法存储闭合曲线和闭合曲面，如果导入的模型中包含闭合曲线或闭合曲面，Ansys将尝试将其分割成多个几何特征。

? 由于IGES发展到现在已经有多个版本，从CAD软件输出IGES文件时，

尽量选择ANSYS软件能支持的IGES版本。 1.2 CAD软件输出IGES文件注意事项

? 输出时只选择Ansys分析需要用到的那一部分模型，Ansys有限元分

析不需要像CAD软件那样关注每一个细节。

? 对于通过修剪操作生成的曲面，在将其转换为IGES数据格式时，数

据中应该包含XYZ坐标数据和UV坐标数据。

? 如果要分析的模型非常大，应该将模型分成多块分别输出，每个IGES

数据文件只包含模型的一部分。在Ansys中将多个文件读入后采用前处理器中的合并操作进行重新组合。（合并操作GUI路径：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Numbering Ctrls】|【Merge Items】）。 ? 如果IGES文件的数据是以ASCII码存储的，确保文件中每行都是80

个记录。

1.3 Ansys导入IGES文件注意事项

? 注意导入文件时ANSYS程序的各种提示信息。警告信息包括诸如IGES

转换失败的部件以及转换成功的部件在ANSYS中对应的部件号。

? 如果存在IGES部件没有转换，可以采用模型修补命令进行重构。

SMOOTH模式能够读入任何不超过20阶的有理B样条曲线和有理B样条曲面，如果阶数超过20阶ANSYS将提示出错信息。 1.4 ANSYS导出IGES文件注意事项

? 输出IGES数据前需要先设定系统单位，单位的设置只能通过命令的

形式设置：/UNITS，比如要设定国际单位体系，只要在命令输入框中输入“/UNITS,SI”,回车确认即可。

? 输出数据前，需要选择几何实体的所有下属元素，GUI操作：【Utility

Menu】|【Select】|【Everything Below】。

? 如果想输出模型的部分元素，则只需要选中那些需要输出的模型及其

下属元素（包括关键点和边线），然后去掉选中的更高级别的特征元素即可。

2 FACETED模式

2.1 FACETED模式使用的9个步骤 ①、采用SMOOTH模式导入IGES文件。.

②、通过创建基本几何元素（比如创建关键点，线等）对导入的几何体进行改善和修复，适当时候结合布尔操作进行修改，记住，不要急着划分网格。 ③、将导入的模型和创建的模型保存到数据库文件，这一步只要点击保存图标即可完成。

④、将模型保存到IGES格式的文件。

⑤、在命令输入框中输入“/CLEAR”命令，清空当前软件中的数据（也可以退出然后重启软件）。

⑥、执行【Utility Menu】|【File】|【Import】|【IGES】，选择“Defeature Model ”。

⑦、选择第4步保存的模型文件，将其以FACETED模式导入。

⑧、在FACETED模式下，对模型进行简化处理，去掉可能导致划分网格失败的几何特征。

⑨、对模型进行网格划分，如果在划分网格中碰到问题，则需要对模型做进一步的简化处理。

注意：不是所有的几何问题都可以在FACETED模式中得到解决，必要的时候需要在创建模型的CAD软件中做相应的修改。

2.2 FACETED模式简化模型 2.2.1 目测检查模型的几何缺陷

模型的几何缺陷（参见附图2）主要包括：很短的线条(Small line)、不相关的几何特征、面积很小的面域(Small area)、在一个方向上尺寸很不协调的面域(Thin area)（比如狭长条表面）等，这些几何缺陷很容易导致网格划分不理想甚至失败（见附图2）。需要借助几何简化工具消除这些缺陷。

附图2 存在几何缺陷的模型及其网格划分结果

从附图2的网格划分来看，单元间网格尺寸急剧变化，这在有限元分析中是不被允许的，需要对模型进行修改，重新划分网格。

2.2.2 查找定位几何缺陷 ? 查找定位短曲线：

GUI操作：【Main Menu】【Preprocessor】|| 【Modeling】|【Simplify】|【Detect/Display】|【Small Areas】在找到这些几何缺陷后可以采用修补工具进行修改。 2.2.3 短曲线的修补

对于短曲线的修补有两种方法可用，一种是合并操作（merge lines），将短曲线与长曲线进行合并，合并后得到一条曲线（注意，合并节点处不能有第三条

曲线与之相接，因为合并后节点将不复存在）；另一种是降阶操作（collapse lines），将曲线收缩到该曲线两个端点中的一个，这会对原有模型有所改变。

附图3 短曲线的修补

2.2.4 小曲面的修补

与短曲线的修补类似，小曲面的修补也有两种方法，一种是合并曲面（merge areas），将小曲面与邻近的大曲面进行合并，在合并的过程中需要注意保持曲面的规则性（比如小曲面合并前为四变形，合并后的曲面仍然是四变形），这样可以避免曲面参数化失败（见附图4）。

附图4 正确的曲面合并（上图）于不错误的曲面合并（下图）另外一种方法是曲面降阶（collapse areas），即将曲面向其边界收缩。操作时，先选择要降阶的曲面，然后选择曲面要简化的目标边线。一般需要先进行曲线简化操作，然后再做曲面简化，简化的边线一般选择曲面较长的一条边作为目标边线，简化实例见附图5所示。

附图5 曲面降阶实例

2.2.5 空腔和凸台的简化

模型上的空腔（包括凹槽和通孔）和凸台特征都可能影响网格划分效果甚至使得网格划分失败，因而有必要对其进行简化处理。在清除这些特征时，需要选中组成特征的所有曲面，选择曲面的顺序很关键，选择过程中应该先选择特征的组成面，最后选择空腔或凸台的附着面，如果顺序不对的话会扭曲模型的几何形状，这是我们不愿看到的。

清除空腔和凸台的GUI操作如下：

附图6 清除凸台

2.3 FACETED模式下模型的修复

上面讲的都是有关如何简化模型的方法，实际导入IGES模型还会碰到模型的拓扑结构问题（比如模型上有缝隙 gaps）或者模型不完整（比如曲面边线不封闭）等。这些拓扑结构缺陷或几何不完整都需要在FACETED模式下进行修复。

2.3.1 修补模型上的缝隙

缝隙的修补归属拓扑结构修补，拓扑结构修补工具位于【Main Menu】|【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo Repair】下，利用这些工具可以“缝合”模型上的小缝隙。在生成封闭体积前必须将边线和曲线段缝合到邻近的曲面上。当拓扑修复工具打开时，其他任何几何工具都处于不可选用状态。模型上存在的很多问题都可以通过拓扑修复工具进行修复。

2.3.1.1 缝隙绘图显示和列表显示的相关设置

要对于模型上存在的缝隙进行修复，需要首先找到这些缝隙，为便于观察缝隙的位置，需要对缝隙进行突出显示。

显示设置GUI路径：【Main Menu】【Preprocessor】|【Modeling】|【Topo |Repair】|【Preferences】，见附图7所示。

附图7 拓扑结构修复设置

有两项设置项：

? 误差限设置（TOLER）：设置在多大间距下认为存在间隙，当两者间距

超过该设定值时，认为存在缝隙。

? 边线列表和绘图显示设置（OESELE）：设置缝隙以何种方式显示。 2.3.1.2 查找并显示缝隙

对于模型上的缝隙，可以通过列表显示和在绘图窗口显示两种方式显示。 ? 列表显示功能

? 绘图显示功能

在此，可以通过绘图功能设置来突出显示裂口和封闭的曲线，下面讲述如何通过颜色来突出显示：

? 蓝色 – 表示封闭边线；