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1、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
2、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
3、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 Ansy
4、s 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
5、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、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
6、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；、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；、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；、要注意与周围的人多讨论和交流，这是获
7、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:/)、仿真论坛 (http:/)、复合材料在线()、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
8、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) 快捷按钮图形显示窗口状态栏图 1 Ansys10.0 图形用户界面应用菜单(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
9、：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
10、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。、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
11、式，然后选择要导入的文件即可。 、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、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
12、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。图 4 General Postproc 模块 图 5 玻璃钢板变形云图、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
13、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。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 fil
14、e.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
15、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，PLA
16、NE 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
