基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版）

前 言

复合材料是一大类新型材料，其强度高、刚度大、重量轻，并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点，近50年来，在航空航天、能源、交通、建筑、机械、信息、生物、医学和体育等工程和领域日益得到广泛的应用，特别是风力发电、民用航空和汽车工业的应用。随着各种新型复合材料的开发和应用，复合材料力学已形成独立的学科体系并蓬勃发展。国内外不少高等院校已将“复合材料力学”列为力学专业及相关的理工科专业本科生和研究生的必修课和选修课。

ANSYS软件具有全面的复合材料设计分析功能。自本书第一版出版以来，ANSYS软件已经发布了多个大版本。在复合材料功能方面，为满足最新的复合材料设计需求做了多方面的提升。主要包括：文件格式改变，软件效率提升；场变量插值材料性能，模拟空间、温度、固化度场对力学性能的影响；选择规则功能提升，实现更加灵活的铺层定义；拉伸实体精度提升；导入实体铺层映射；材料结构一体化设计；更加完善的Python脚本功能。

为使读者全面掌握ANSYS复合材料的最新进展，将其更好地应用到研究和产品设计工作中，作者基于多年ANSYS软件应用推广的经验，以及近年从事风电叶片设计分析的经历，从3个方面对本书进行了更新。首先，在第1章中，介绍了ANSYS 18.0以来ACP模块的重要新功能。其次，在第2至第5章中，系统全面地更新了ANSYS ACP的详细功能。最后，系统地介绍了ANSYS软件5种典型应用场景和12个应用案例。

本书适用于5种常用的复合材料设计分析应用场景：基于壳模型的复合材料设计分析，场变量相关的材料性能对结构行为的影响分析，基于拉伸实体进行复合材料设计分析，基于导入实体模型的复合材料设计分析，材料产品一体化设计。

在新版本出版之际，感谢中材科技风电叶片股份有限公司鲁晓锋总监在工作中的指导，感谢唐金钱、张颜明、王艳、周帆等同事在工作中的帮助和支持。感谢北京航空航天大学能源与动力工程学院柳恺骋、陈立强在本书编写过程中给予的帮助。

由于时间仓促，加之本书内容新、涉及面广及作者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正，作者联系方式为：zhanying.li@qq.com。

编 者

2020年6月

序
前言

第1章 基础知识 1
1.1 复合材料概论 1
1.1.1 复合材料及其种类 1
1.1.2 复合材料的构造形式 5
1.1.3 复合材料的制造工艺 6
1.1.4 复合材料的力学分析 6
1.1.5 复合材料的力学性能 7
1.1.6 复合材料的各种应用 9
1.1.7 复合材料创新设计 11
1.2 ANSYS软件 12
1.2.1 Workbench仿真平台 13
1.2.2 Mechanical模块功能 16
1.3 ACP模块 20
1.3.1 模块功能 22
1.3.2 应用案例 27
1.4 ACP新功能 28
1.4.1 易用性及性能 29
1.4.2 复合材料建模评估 29
1.4.3 其他程序接口 30
1.5 历史版本ACP项目迁移 30
1.5.1 平台运行模式ACP 31
1.5.2 独立运行模式ACP 31
1.5.3 Python脚本模式 31
第2章 快速入门 32
2.1 图形用户界面 32
2.1.1 主菜单（Menu） 33
2.1.2 特征树（Tree View） 37
2.1.3 场景（Scene） 38
2.1.4 工具栏（Toolbar） 38
2.1.5 视图窗格（View Panes） 41
2.2 平台运行模式 43
2.2.1 标准工作流程 43
2.2.2 ACP组件属性 45
2.2.3 支持的分析类型 46
2.2.4 多工况分析流程 47
2.2.5 共享复合材料定义流程 47
2.2.6 实体单元建模流程 48
2.2.7 模型装配工作流程 49
2.3 独立运行模式 51
2.4 入门练习 53
2.4.1 练习1 53
2.4.2 练习2 80
第3章 用户手册 89
3.1 详细功能 89
3.1.1 模型（Model） 89
3.1.2 材料数据（Material Data） 97
3.1.3 单元和节点集（Element and Edge
Sets） 107
3.1.4 几何（Geometry） 108
3.1.5 坐标系（Rosettes） 111
3.1.6 插值表（Look-up Tables） 113
3.1.7 选择规则（Selection Rules） 119
3.1.8 方向选择集（Oriented Selection
Sets，OSS） 128
3.1.9 铺层组（Modeling Groups） 131
3.1.10 场定义（Field Definitions） 143
3.1.11 采样点（Sampling Points） 145
3.1.12 切面（Section Cuts） 146
3.1.13 传感器（Sensors） 148
3.1.14 实体模型（Solid Models） 149
3.1.15 铺层图（Layup Plots） 167
3.1.16 失效准则定义（Definitions） 173
3.1.17 结果集（Solutions） 174
3.1.18 场景（Scenes） 184
3.1.19 视图（Views） 185
3.1.20 铺层书（Ply Book） 185
3.1.21 参数化（Parameters） 186
3.1.22 材料库（Material Databank） 189
3.2 后处理 189
3.2.1 失效准则 189
3.2.2 失效指标 190
3.2.3 主应力和主应变 190
3.2.4 损伤线性化 190
3.2.5 复合材料实体单元后处理 190
3.2.6 掉层和切割单元后处理 192
3.2.7 自定义失效准则 192
3.2.8 局限和建议 195
3.3 程序接口 196
3.3.1 HDF5复合材料CAE格式 196
3.3.2 Mechanical APDL网格模型 196
3.3.3 Mechanical APDL复合材料模型 196
3.3.4 Excel表格数据 198
3.3.5 CSV格式 200
3.3.6 ESAComp 200
3.3.7 LS-DYNA 200
3.3.8 BECAS 200
第4章 复合材料建模 201
4.1 T型接头建模 201
4.2 局部加强建模 203
4.3 边倒角和错层 204
4.3.1 边倒角 204
4.3.2 错层 206
4.4 变厚度芯材 206
4.4.1 实体几何 207
4.4.2 插值表 207
4.4.3 几何切割规则 208
4.4.4 常规应用 209
4.5 可制造性分析 209
4.5.1 内部Draping算法 210
4.5.2 用户自定义Draping数据 211
4.5.3 Draping结果的可视化 212
4.6 铺层书生成 212
4.7 拉伸实体建模 213
4.7.1 使用场景 213
4.7.2 功能用法 214
4.7.3 生成原则 214
4.7.4 掉层和切割 214
4.7.5 工作流程 215
4.7.6 应用技巧 216
4.7.7 已知局限 216
4.8 复合材料可视化 216
4.8.1 模型可视化 216
4.8.2 结果可视化 217
4.9 复合材料失效准则 219
4.10 模型单元选择 220
4.11 变材料数据 220
4.11.1 场变量定义 221
4.11.2 剪切角度 221
4.11.3 衰减因子 221
4.11.4 自定义场 222
4.11.5 插值算法 222
第5章 典型应用 223
5.1 复合材料壳模型分析 223
5.1.1 前处理 223
5.1.2 分析求解 226
5.1.3 后处理 226
5.2 拉伸实体模型分析 227
5.2.1 前处理 227
5.2.2 分析求解 228
5.2.3 后处理 230
5.3 变材料数据分析 231
5.3.1 场变量参数 232
5.3.2 插值表填充 234
5.3.3 分析求解 235
5.3.4 变化数据影响 237
5.4 导入实体模型分析 237
5.4.1 导入实体网格 237
5.4.2 铺层映射 240
5.4.3 结果后处理 241
5.5 材料产品一体化设计 242
5.5.1 Material Designer模块 242
5.5.2 Engineering Data模块 243
5.5.3 ACP模块 243
5.5.4 Mechanical分析计算 246
第6章 应用案例 247
6.1 冲浪板静力分析 247
6.1.1 案例简介 247
6.1.2 案例实现 248
6.1.3 案例小结 268
6.2 T型接头铺层定义 268
6.2.1 案例简介 268
6.2.2 案例实现 269
6.2.3 案例小结 283
6.3 选择规则使用 283
6.3.1 案例简介 283
6.3.2 案例实现 284
6.3.3 案例小结 289
6.4 实体模型装配 289
6.4.1 案例简介 289
6.4.2 案例实现 289
6.4.3 案例小结 303
6.5 拉伸实体建模 303
6.5.1 案例简介 303
6.5.2 案例实现 304
6.5.3 案例小结 309
6.6 导入实体建模 309
6.6.1 案例简介 309
6.6.2 案例实现 310
6.6.3 案例小结 318
6.7 复合材料模型参数化 319
6.7.1 案例简介 319
6.7.2 案例实现 319
6.7.3 案例小结 325
6.8 ACP脚本应用 326
6.8.1 案例简介 326
6.8.2 ACP脚本基础 326
6.8.3 ACP脚本实例 330
6.8.4 案例小结 336
6.9 复合材料子模型应用 336
6.9.1 案例简介 336
6.9.2 案例实现 337
6.9.3 案例小结 350
6.10 铺敷性分析 352
6.10.1 案例简介 352
6.10.2 案例实现 353
6.10.3 案例小结 359
6.11 渐进损伤模拟 359
6.11.1 背景简介 359
6.11.2 应用案例 360
6.11.3 案例小结 365
6.12 分层脱胶模拟 365
6.12.1 背景简介 365
6.12.2 技术路线 366
6.12.3 应用案例 367
6.12.4 案例小结 371
附录A 英美制单位与标准国际单位的换
算关系 372
附录B 波音787（梦幻飞机） 373
附录C 复合材料术语 377
附录D ANSYS软件术语 382
参考文献 384

1. 信息技术基础实训与习题指导（Windows7+Office2016） [主编 周金容 唐天国]
2. ANSYS Workbench在压力容器分析中的应用与技术评论 [栾春远 编著]
3. 计算机应用基础教程（Windows 10+Office 2019） [主编 聂长浪 贺秋芳 李久仲]
4. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2016） [主编 王洪平 杨华]
5. 大学计算机基础教程（Windows 10+Office 2016） [主编 饶拱维 郭其标 房宜汕]
6. Altium Designer 20 电路设计案例教程 [主编 王静 谢蓉]
7. 计算机应用基础（Windows 10+Office 2016） [主编 阳晓霞 谭卫]
8. Python程序设计与应用 [主编 张广渊]
9. Office 2010办公自动化高级应用实例教程（第二版） [主编 谢海燕 吴红梅 陈永梅]
10. Office高级应用项目式教程 [主编 李观金 林龙健 王静]
11. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主 编 李建军]
12. 计算机应用技能教程——全国计算机等级考试一级MS Office 2010 [主编 石铁峰 王祖伟 宋家慧]
13. 计算机应用基础教程（第三版）（Windows 7+Office 2010） [主编 聂长浪 贺秋芳 李久仲]
14. Office 2016办公自动化案例教程 [主编 林沣 钟明]
15. 办公软件高级应用 [主 编 阙清贤 黄诠]
16. 计算机应用基础教程（Windows 7+Office 2010） [主 编 潘 迪 代子静]
17. MSC Nastran动力分析指南（第二版） [李保国 黄晓铭 裴延军 李伟 ]
18. 计算机应用基础情景化教程（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 王宏斌 张尼奇 王锋]
19. 计算机一级MS Office全真模拟手册（第二版） [主编 张建军 李瑛 王锋]
20. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2010） [主编 张晓琪 唐天国]
21. 计算机应用基础实训与习题指导（Windows 7+Office 2010） [主编 唐天国 曾庆勇]
22. Altium Designer 17电路设计案例教程 [主编 王静]
23. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
24. MSC Adams 多体动力学仿真基础与实例解析（第二版） [汤涤军 张跃 编著]
25. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
26. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用 [李占营 阚川 张承承 编著]
27. 计算机导论（基于Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 柳青]
28. 全国计算机等级考试一级MS Office教程及实训指导 [主编 张心越 刘玉芳 邢怡]
29. ANSYS Icepak进阶应用导航案例 [王永康　张义芳　编著]
30. Web服务器群集 [主编　肖睿　翟慧　郭峰]