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ANSYS在复合材料仿真分析中的应用

第1期

2006年3月

纤维复合材料

FⅡ腿舢S11瞪强No.163Mar.,2006

ANSYS在复合材料仿真分析中的应用

廖英强1,苏建河2,柯善良2

(1.西安航天复合材料研究所,西安710025)(2.中国航天科技集团公司四院四十一所,西安710025)

摘要ANSYS在复合材料仿真分析中的应用经过近十年的研究探索已成必然,本文阐述了近些年来国内外的科研工作者研究开发的一系列成果,对国内外应用情况进行了对比,并预测其发展方向。

关键词复合材料;ANSYS;有限元;应用

ApplicationofANSYSinComposite

SimulationAnalysis

LIA0Ying-qian91,SUJian—he2,KEShan-lia喀

(1.Xi’anAerospaceCompositesResearchInstitute,Xi’an,710025;

2.The41stInstituteoftheFourthAcademyofCASC,Xi’all,710025)

ABSTRACTANSYShasbeenusedincompositesimulationanalysisfornearlytenyears.Inthispaper,weintroduceaseriesofachievementsmadebydomesticandforeignl'_esearcheYsinrecentyears.Wecomparetheapplicationsathomeandabroad。andforecastitsfuturedevelopment.

KEYWORDScomposite;ANSYS;finite

element;application

1前言

2应用原理

复合材料不同于传统的金属、陶瓷和有机材料,

它是由两种或两种以上具有不同化学或物理性质的

复合材料由于具有各向异性、耦合效应、层间剪

组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料,在结构和性能上具有可设计性,且其材料和结构的设计是同步的。它允许设计人员按构件的工作条件,灵活的选择组分材料和制造工艺,形成不同的结构部件,而且其综合性能往往优于传统单一材料或具有原单一材料(组分)所没有的新性能。

复合材料具有比强度高、比模量高、各向异性、以及材料性能可设计的优点,现已广泛应用于航空、造船、汽车、建筑、化工、体育等部门…。复合材料的设计可以定义为:依据积累的经验,归纳的实验规律和总结的科学原理,通过合理的选择组份,制备出预先确定性能的复合材料【2J。先进复合材料结构精细,研制成本高,工艺复杂周期长,以传统的配方试验研制,费时费力费钱,而且难以得到准确而系统的科学结论,而应用通用大型的有限元分析软件AN—SYS可以对复合材料实施优化设计、性能分析,对材料承载受力破坏过程进行计算机模拟,可以获得难以用传统试验获得的一系列信息,再配以适当的验证实验来检验模型,节约了大量的费用,缩短了研制周期。本文主要论述了ANSYS在复合材料仿真分析中的应用原理、国内外应用概况及其总结与展望。切等特殊性质,因此对复合材料结构的精确仿真,已成为现代航天航空结构分析的迫切需求b]。

在复合材料结构分析中,已经广泛采用有限元数值仿真分析,其基本原理在本质上与各向同性材料相同,只是离散方法和本构矩阵不同。复合材料有限元法中的离散化是双重的,包括了对结构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、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件,均把增强材料和基体材料复合在一起,讨论结构的宏观力学行为,因此可以忽略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。

许多CAE程序都可以进行复合材料的分析,但是大多程序并没有提供完备的功能,使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析功能,有些不提供层间剪切应力的求解功能,有些不提供考虑材料失效破坏后的继续计算功能等。AN—SYS公司是由美国著名力学专家一美国匹兹堡大学力学系教授JohnSwanson博士于1970年创建发展起来的,总部设在美国宾西法尼亚州的匹兹堡,目前是世界CAE行业最大的公司。ANSYS作为著名的商

纤维复合材料2006年

业化大型通用有限元分析软件,广泛应用于航空航天领域,为复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。针对复合材料层合板、梁、实体以及加强筋板等结构类型,ANSYS提供了一系列特殊的复合材料单元:SHELL99(如图1所示)、SHELL91、SHELLl81、SOLID46和SOLIDl91等。单元的选择依赖于实际应用情况及其计算结果等。

图1shell99的几何特性

3国外应用概况

‘在国外,ANSYS在复合材料领域的应用时间要远远早于国内,并且其应用的范围也更加广泛,涉及了复合材料设计的许多方面。研究人员主要以美国、法国等国的研究人员为主。其发展历程大体可分为两个阶段:第一阶段(1991—1997),主要是以应用ANSYS进行简单的力学计算及试验结果直接进行分析为特征,主要应用国家有美国、法国;第二阶段(1998一现在),随着对ANSYS的广泛应用逐渐发展为首先提出一种理论,然后通过ANSYS二次开发功能进行处理,并将计算结果进行处理分析且与试验结果进行对比以验证理论的正确性,主要应用国家已发展为美国、法国、意大利、土耳其、德国等。3.1第一阶段(1991—1997)

早在1991年,美国的ConstantinosMinas等人就对超导线圈组的三维热应力进行了检验和评估。以具有三个弹性对称面的正交各向异性材料来模拟超导复合材料,其力学特性由293K和液态氮温度下通过试验测得。应用商业化软件包ANSYS在圆柱坐标系进行了对模型计算。对比了单一结构线圈的风冷应力和骤冷应力。在暂态热分析中,温度场的变化范围为30—250K。比较气冷和骤冷下的应力,计算结果表明:线圈拉伸环向应力增加了4倍,压缩环向应力增加了8倍。同时对由玻璃/环氧复合材料‘线圈和铝支撑结构进行相似的分析,并对结果进行检验和评估,结果表明复合材料线圈的压缩环向应力从64.6MN/m2增加93.6MN/m2。很明显,热应力

不仅仅取决于各向异性材料的特性和温度场,还取决于结构所应用的不同材料的数量【4J。

1992年,美国的KumarV等人对轻质复合材料战车外壳从C一130飞机上低速空投时要受到来自地面冲击的瞬态载荷的作用进行了分析。应用刚体动力学分析软件DADS对低速空降过程进行了计算机仿真,得到了车辆底板的动态力的时间历程曲线。然后将动态力应用于复合材料外壳的有限元模型上,并应用有限元分析软件ANSYS进行了暂态分析‘5|。

1995年,法国的GrandoJ等人对复合材料构件进行了研究。当时,复合材料在机械结构(飞机机翼等)中已被更加频繁的使用,因此必须保证复合材料具有长期可靠性、好的疲劳特性并能防止灾难性事故的发生。为了减小应力和应变场,可以采用植入记忆合金线的方法。将几根预拉伸的镍钛诺线植入复合材料构件拉伸边的附近。当受热时,在释放附近区域和损伤区域的压应力过程中,它们变成了母相,这样就可以减慢裂纹的扩展。文中使用有限元模拟程序ANSYS对玻璃/环氧树脂复合材料进行了研究‘6。。

1997年,美国的LingJ—X应用商业化有限元程序包ANSYS在一个小型工作站上对不均匀对流和周期分布式内热条件下复合材料管的三维瞬态热传导问题进行了数值分析。数值分析结果与试验数据吻合的较好。因此,此数值分析模型能用来改进NMR梯度管冷却系统的设计。实际上,后来建立了一个相似模型来模拟管的弯曲过程。数值分析结果无论对冷却系统的优化设计还是为了防止裂纹或变形的弯曲设计都提供了有价值的信息阳]。

3.2第二阶段(1998一现在)

1998年,意大利的BuccellaC对先进复合材料在二维域内的准静电场进行了分析。提出隐式求解和显式求解两种方法,并且进行了计算,最后,将两种求解方法的计算结果进行了对比并与应用有限元软件包ANSYS计算的结果进行了对比。

1999年,土耳其的AkkasN等人给出了受一般静载荷的层压复合材料薄球壳非线性屈曲的数值分析结果,开发了专用的有限差分程序,并且使用通用的计算程序ANSYS进行了计算,研究发现,在材料非线性条件下,复合材料薄球壳的屈曲曲线和各向同性壳具有形状上的相似性,这个结论表明在给出屈曲曲线的特性形状时壳体的几何特性也许是一个重要因素哺。。

,2000年,法国的I丑bed

N等人对具有无限边界的双层复合材料结构进行了厚度方向上的优化。将

1期廖英强等:ANSYS在复合材料仿真分析中的应用

复合材料视为一维结构。通过对本构方程等效积分的分析求解,节省了大量的计算时间。该方法是基于应用于多层结构声学分析的技术上的,现在能够用来计算复合材料层合结构。该方法的优点就是计算时间短。研究的目的是使依赖于两层界面位置的冯密斯平均应力最小化。将分析结果与应用有限元分析软件ANSYS得到的结果进行了对比,发现两者之间有很好的关联。

2001年,德国的FigielL等人对复合材料的损伤进行了研究,认为在循环作用力、热载荷或者热力耦合载荷共同作用下,复合材料的损伤是由于材料的退化,因此在理论分析上对复合材料损伤的分析也是一个复杂的过程。由于大多数疲劳研究只停留在理论上,因此他们主要对复合材料的分层过程进行了有限元仿真。所有的计算都应用有限元分析软件ANSYS来完成的旧]。

2004年,土耳其的UsS等人对曾经设计过的水平轴长为2.5m的风力涡轮转子叶片采用不同的复合材料结构进行了重新设计和分析。叶片呈线性锥形并且的同时受双线性扭转作用。在制造的复杂程度及其耗费最低的条件下,为了降低重量的同时增加结构刚度,应用了包括泡沫夹层板和层压夹层板两种不同的复合材料布局方案。应用有限元分析软件ANSYS得到了叶片的应变及其自振频率。经过分析发现采用由玻璃纤维和泡沫夹芯的层压夹层板有利于降低叶片重量【l0】。同年,美国的PrabuSB等人针对SiC的体积分数和纤维直径对6061A1/SiC复合材料界面应力/应变的影响进行了有限元研究。用有限元法模拟了复合材料的拉伸特性。为了模拟复合材料的拉伸特性,对几何模型使用的ANSYS5.4中的单元进行了划分并选择了相应的边界条件。研究了纤维直径和体积分数对从基体到纤维的传递应力的影响。分析中发现纤维直径在剥离破坏中起着重要作用并且剥离破坏往往发生在对称轴的界面单元处。剥离破坏是由剪切引起的,最大剪应力发生在离自由端一段距离的几何模型的内部并且随着载荷的增大而发生位置的改变。

4国内应用概况

1996年初,ANSYS公司在中国成立了北京办事处,1997年初,相继成立了成都办事处和上海办事处。因此,ANSYS在国内各个行业的广泛应用,特别是在复合材料领域的广泛应用只是最近不到十年的时间,但它的应用范围之广,推广速度之快是有耳共睹的。

4.1在层合复合材料中的应用

2000年,东北大学的苗雨阳等人首次采用AN—SYS有限元分析软件对6061A1/SiC层合复合材料在交变温度场作用下的热应力进行数值分析。采用ANSYS有限元分析软件中的结构单元,选择Mires随动强化塑性模型,同时考虑温度对材料性能的影响,计算了不同温度下的残余塑性变形和热应力,并给出了205℃。20℃交变温度场作用下的残余热应力循环曲线,数值计算结果与试验数据复合较好。这项研究工作为复合材料的疲劳寿命的预报提供了良好的理论基础[11I。同年,北京科技大学的康永林等人对树脂复合轻质夹层钢板新型复合材料进行了研究,应用ANSYS有限元软件,模拟分析了材料的弯曲成型过程中错动量的分布、?鸥翼角”的成因与变化规律,并对应力、应变和位移沿板截面的分布进行了分析。这些结果对轻质夹层钢板的研究开发及实际成型加工技术分析提供了参考,虽然这一工作在国内还是初次进行的,但也表明采用数值模拟方法通过合理处理成型条件,可以获得树脂复合钢板成型过程中的大量力学信息用以指导理论和实际‘12|。

2004年,吉林大学的高慧婷等人在提出Fe/Zn抗震复合材料思想的基础上,为验证Fe/Zn复合材料具有抗震耗能作用,采用国际通用有限元分析软件ANSYS对材料的性能作数值仿真,采用瞬态时程分析的方法,计算了Fe/Zn复合材料在地震波载荷作用下的应力一应变曲线。结果表明,zn在地震波载荷作用下进入塑性阶段,形成了滞回环,证明Fe/zn复合材料有抗震耗能的作用,而Fe部分还处于弹性工作范围,保证结构不发生破坏,并为结构提供足够的恢复力。

4.2在混合复合材料中的应用

2002年,西北工业大学的马志军等人采用AN.SYS有限元分析软件,对SCS一6SiC/Ti一24A1—11Nb复合材料的残余热应力进行了数值模拟,重点分析了纤维排布对残余热应力的影响。结果表明,在高温和热等静压成型的工艺条件下,与四方纤维排布模型相比,六方纤维排布模型的残余热应力较小,应力分布也较均匀。不易导致基体开裂。研究结果为SiC纤维增强Ti基复合材料的制备方法和工艺提供了一定的依据¨31。

4.3在浸渍复合材料中的应用

2002年,北京航空制造工程研究所的刘彬、岳中第在利用ANSYS有限元程序对纤维增强复合材料气瓶进行应力分析时,遇到了如何正确确定复合

纤维复合材料2006拄

材料弹性常数的问题。由于多层缠绕的纤维复合材料壳体,其纤维材料呈现正交各向异性的性质,而且每层都有不同的缠绕方向,因此,在采用轴对称单元进行有限元分析时,必须对材料特性进行处理转换。他们尝试根据基本力学方程,将不同缠绕方向的纤维层材料,即不同材料坐标系下的特性参数等效到统一坐标系。然后利用ANSYS的轴对称单元对壳体进行了整体非线形分析。分析结果表明,计算结果与实验结果吻合较好。

2003年,国防大学的彭超义等人对航空发动机推力支架空间桁架结构进行了研究。通常空间桁架结构采用金属材料,而碳/环氧复合材料用于这种空间桁架结构可以显著减轻推力支架的重量。为了节约昂贵的试验费用,通常先对支架结构和重量进行优化设计。因此,他们以橡胶芯模辅助RTM工艺制备的碳/环氧管件为模型建立了某种结构优化后的推力支架空间桁架结构的有限元模型,采用大型有限元分析软件ANSYS7.0对推力管的外径、壁厚和重量进行了优化设计,得出了推力管的最佳参数为外径7.8cm、壁厚2.23mm、总重11.58kg¨4|。同年,同济大学的嵇醒等人针对以往碳纤维缠绕铝内胆气瓶主要以经验设计和近似的网格理论为基础的问题,提出了采用ANSYS有限元分析的方法来改进气瓶设计的观点。他们以2升的实验气瓶为例,利用ANSYS程序分析了在零压力、工作压力、实验压力及其爆破压力下的气瓶的应力状态,得到了各种受力状态内胆的VonMises应力分布图以及纤维向应力分布图‘15]。

2004年,山东非金属材料研究所的贾华敏、李树虎根据对复合材料喷管的无损检测结果,运用ANSYS有限元仿真的方法,考核了喷管在缺陷损伤条件下的应力分布,确定了缺陷引起的应力集中的危害程度,从而量化了缺陷的评价。

在国内,ANSYS在复合材料仿真分析中的应用呈逐年增长之势,而且应用范围也越来越广;但AN—SYS的应用还处于一个比较初级的阶段,即目前只是直接的利用ANSYS的计算结果,还没有利用AN.SYS的二次开发功能来实现复合材料在更深层次上的研究,这是今后要重点关注的问题。

5总结与展望

目前我国科研工作者在利用ANSYS对复合材料进行仿真分析方面还处于国外早期的水平,在这一阶段主要是以直接利用ANSYS软件对复合材料结构进行应力、应变的简单分析为特征。目前国外在这一水平上的论文发表的虽然较少,但一些国际大型公司如英国的IDAC公司等却已纷纷提供复合材料结构分析方面的服务,这说明国外对ANSYS软件在这一水平上应用已经成熟。现阶段,国外的科研工作者主要是利用APDL语言对ANSYS软件进行二次开发来进行复合材料机理研究(如损伤模型的研究等)。所以,我们今后的工作将是继续扩大AN。SYS在复合材料领域的应用范围,逐步积累经验,逐渐实现利用ANSYS的二次开发功能来进行复合材料机理研究的目标。

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ANSYS在复合材料仿真分析中的应用

作者:廖英强, 苏建河, 柯善良, LIAO Ying-qiang, SU Jian-he, KE Shan-liang

作者单位:廖英强,LIAO Ying-qiang(西安航天复合材料研究所,西安,710025), 苏建河,柯善良,SU Jian-he,KE Shan-liang(中国航天科技集团公司四院四十一所,西安,710025)

刊名:

纤维复合材料

英文刊名:FIBER COMPOSITES

年,卷(期):2006,23(1)

引用次数:4次

参考文献(15条)

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0.20,2型和3型复合材料的热阻相同,为1.13 m2·(K·W-1),这与有限元分析的结果一致,表明ANSYS有限元法对于稻草/PS层合复合材料保温性能仿真分析具有一定的实际应用价值.

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本文链接:https://www.wendangku.net/doc/ec7393280.html,/Periodical_xwfhcl200601019.aspx

下载时间:2009年11月13日

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