Ansys复合材料结构分析操作指导书Word格式.docx
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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（）、仿真论坛（）、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（UtilityMenu）：
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（MainMenu）：
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（MainMenu）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。
、前处理模块（Preprocessor）：
在这个模块中用户可以完成定义单元类型（ElementType）、设定单元实常数（RealConstants）、定义材料属性（MaterialProps）、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：
【UtilityMenu】|【File】|【Import…】，选择合适的格式，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（AnalysisType）、定义载荷（DefineLoads）、对载荷步进行设置（LoadStepOpts）、激活求解（Solve），见图3所示。
小提示：
点击UnabridgedMenu/AbridgedMenu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。
、一般后处理模块（GeneralPostproc）：
用于显示（Plot）、查看、输出整个模型在某个子载荷步（SubLoadStep）、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（WriteResults），见图4所示。
操作中需首先读入计算结果（ReadResults），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。
、时间历程后处理器（TimeHistPostpro）：
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6TimeHistPostpro模块
当然，MainMenu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7Ansys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】/【DocumentsandSettings】/【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】|【ChangeDirectory…】。
更改文件名操作方法：
【File】|【ChangeJobname…】，此时会弹出对话框，输入新的文件名，注意输入框下面有个’Newloganderrorfiles?
’，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（ElementType）并设定单元实常数（RealConstants），定义单元类型：
【MainMenu】|【Preprocessor】|【ElementType】；
设定单元实常数：
【MainMenu】|【Preprocessor】|【RealConstants】。
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：
【MainMenu】|【Preprocessor】|【MaterialProps】|【MaterialModels】，弹出DefineMaterialModelBehavior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：
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Modeling】，划分网格菜单路径：
【MainMenu】|【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：
【MainMenu】|【Solution】|【DefineLoads】。
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：
【MainMenu】|【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【MainMenu】|【Solution】|【AnalysisType】|【NewAnalysis】，求解类型包括Static、Model、Harmonic、Transient、Spectrum、EigenBuckling、Substructuring。
步骤七：
后处理，【MainMenu】|【GeneralPostproc】。
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（NodalSolution），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【MainMenu】|【GeneralPostproc】|【WriteResults】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（isotropicmaterial）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（orthotropicmaterial），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
、定义单元类型GUI路径为：
【MainMenu】|【Preprocessor】|【ElementType】|【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“Elementtypereferencenumber”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。
、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：
【MainMenu】|【Preprocessor】|【RealConstant】
图10SHELL99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：
【MainMenu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【SizeCntrls】
在SizeCntrls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“AdvOpts”，见图11所示。
图11智能网格密度控制
BasicSmartSizeSettings包含三级网格密度，“1（fine）”级对应最密的网格，“2”、“3”次之。
AdvancedSmartSizeSettings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。
、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
、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
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