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复合材料 SHELL181 单元完全攻略前言 ANSYS 程序中的 SHELL181 单元是用于复合材料层合板结构分析比较好的单元之一。原文在 ANSY S 程序的在线帮助中,这篇文章是它的译文,是我们从专业角度对原文的翻译。目的在于帮助那些英语水平不高,而且从事复合材料结构计算分析的技术人员能够方便地使用这个单元。复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成的,其主要优点是具有优异的材料性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点。复合材料可用于飞机机翼、尾翼,发动机机匣、叶片等结构设计,也是用于压力容器、风力发电叶片等民用结构的先进材料。目前,复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一,逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中, 西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的 25% 以上。风力发电是目前世界上能源领域发展最快的技术之一,据知大约每年以 25~30% 的速度递增。当前风力发电是我国新兴的能源项目,国内有关公司和企业纷纷引进国外产品和技术,产能过剩,竞争相当激烈, 但最后谁能在该行业中站住脚,还取决于有没有自己的自主知识产权的产品。有限元技术是分析风力发电复合材料叶片的先进手段,有助于设计先进的叶片结构。 ANSYS 程序中复合材料单元比较全,其中 SHELL181 单元是比较好的单元之一。 1. 181 壳单元描述 181 壳单元适于分析薄至中等厚度的壳形结构。它是每个节点具有 6个自由度的 4节点单元。 6个自由度指 X、Y、Z三个轴方向的位移和绕 X、Y、Z三个轴的转角(如选用膜片,则该单元只有位移自由度)。退化的三角形单元,只用于网格生成的填充单元。 181 壳单元非常适用于线性、大转角和/或大应变非线性的应用。计算变厚度壳单元应用非线性分析。在单元范围内支持完全和减缩的积分方法。 181 壳单元计及压力分布引起的(载荷刚度)影响。 181 壳单元适用于模拟分层的复合壳或夹层结构。模拟壳的精度取决于第一剪切变形理论(通常称为 Mindling-Reisser 壳理论)。对于用 43 壳单元存在收敛困难问题,可用 181 壳单元取代 43 壳单元。关于这个单元的更详细的内容见 ANSYS , Inc. 理论参考。图 壳单元几何形状 x o= Element x-axis if ESYS is not supplied. (为单元坐标系的 X轴不提供) x= Element x-axis if ESYS is supplied. (为单元坐标系的 X轴提供) 2. 181 壳单元数据输入这个单元的几何形状、节点位置和坐标系示于图 :“ 181 壳单元几何形状”。此单元由 4点I、J、 K和L定义。单元方程式基于对数应变和真实应力方法。单元动力学考虑到有限膜应变(拉伸)。然而, 在一个时间增量步内的曲率变化假设很小。你可以用常数或截面定义它的厚度或其他数据。仅对单层壳选用实常数。如果一个 181 壳单元既有实常数设置,又有一个正确有效的截面类型,则实常数将被忽略。 181 壳单元也采用预积分壳截面类型( SECTYPE , GENS )。当此单元使用 GENS 截面形式,不需要定义厚度或材料。更详细内容见“ Using Preintgrated General Shell Sectins ”。用实常数定义厚度壳单元的厚度可以在单元各节点定义。假设整个单元厚度平缓变化。如果单元厚度不变,只输入 TK (1)。如果厚度变化,则必须输入 4个节点的厚度。层截面定义另一种选择,可以用截面命令定义壳单元厚度和更一般的特性。 181 壳单元可与壳截面联合( 见 SECTYPE 命令说明)。与选择实常数相比,壳截面是定义壳结构的更通用的方法。壳截面命令可用于定义分层复合材料壳的定义,而且提供了输入确定的厚度、材料、方位和通过层厚度的积分点的操作。注意单层壳不排除用壳截面定义,而且提供更灵活的操作,如使用 ANSYS 函数编码器定义作为整体坐标和采用积分点的函数的厚度。当采用截面输入时,你可指定经由每层厚度的积分点数( 1,3,5,7或9)。仅当积分点数为 1时, 积分点总是位于顶面和低面之间。如果积分点数为 3或更多时,其中两个积分点分别位于顶面和底面,其余积分点在上述两点之间等距分布。当指定积分点数为 5时例外,那里四等份的积分点位置向最近的层面移动 5% ,使与选用实常数输入选定的位置一致。每层积分点数的默认值为 3。注意,当采用实常数时, ANSYS 采用 5个积分点。然而当使用截面定义等效层时,积分点默认值是 3。为了对解法进行比较, 用 SECDATA 命令设置截面积分点数为 5。此单元的默认方位为 S1 (壳单元面坐标)轴,它与单元中心的单元第