基于ANSYS的復合材料有限元分析和應用（第二版）

中國水利水電出版社

【作者】李占營張承承李成良編著

【I S B N 】978-7-5170-9510-1

【責任編輯】王開云

【適用讀者群】本科

【出版時間】2021-03-29

【開本】16開

【裝幀信息】平裝（光膜）

【版次】第2版第1次印刷

【頁數】392

【千字數】612

【印張】24.5

【定價】￥95

【叢書】萬水ANSYS技術叢書

【備注信息】

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簡介

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前言

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ANSYS是國際上先進的大型通用仿真分析軟件之一，具有全面的模擬和強健的計算能力。本書是基于ANSYS軟件進行復合材料結構設計分析的入門指南和工程分析教程。在第一版的基礎上，從3個方面對本書進行了更新。首先，介紹了ANSYS 18.0以來ACP模塊的重要新功能；其次，系統全面地更新了ANSYS ACP的詳細功能；最后，系統地介紹了ANSYS軟件5種典型應用場景和12個應用案例。本書學習的價值在于：軟件效率提升，速度更快；更加靈活的鋪層定義；拉伸實體精度提升；更加完善的Python腳本功能等。

本書是應用ANSYS 2020有限元軟件進行復合材料力學分析和結構計算的必備工具書，可供從事復合材料工程設計和有限元分析的科研人員和工程師等閱讀、參考。

前言

復合材料是一大類新型材料，其強度高、剛度大、重量輕，并具有抗疲勞、減振、耐高溫、可設計等一系列優點，近50年來，在航空航天、能源、交通、建筑、機械、信息、生物、醫學和體育等工程和領域日益得到廣泛的應用，特別是風力發電、民用航空和汽車工業的應用。隨著各種新型復合材料的開發和應用，復合材料力學已形成獨立的學科體系并蓬勃發展。國內外不少高等院校已將“復合材料力學”列為力學專業及相關的理工科專業本科生和研究生的必修課和選修課。

ANSYS軟件具有全面的復合材料設計分析功能。自本書第一版出版以來，ANSYS軟件已經發布了多個大版本。在復合材料功能方面，為滿足最新的復合材料設計需求做了多方面的提升。主要包括：文件格式改變，軟件效率提升；場變量插值材料性能，模擬空間、溫度、固化度場對力學性能的影響；選擇規則功能提升，實現更加靈活的鋪層定義；拉伸實體精度提升；導入實體鋪層映射；材料結構一體化設計；更加完善的Python腳本功能。

為使讀者全面掌握ANSYS復合材料的最新進展，將其更好地應用到研究和產品設計工作中，作者基于多年ANSYS軟件應用推廣的經驗，以及近年從事風電葉片設計分析的經歷，從3個方面對本書進行了更新。首先，在第1章中，介紹了ANSYS 18.0以來ACP模塊的重要新功能。其次，在第2至第5章中，系統全面地更新了ANSYS ACP的詳細功能。最后，系統地介紹了ANSYS軟件5種典型應用場景和12個應用案例。

本書適用于5種常用的復合材料設計分析應用場景：基于殼模型的復合材料設計分析，場變量相關的材料性能對結構行為的影響分析，基于拉伸實體進行復合材料設計分析，基于導入實體模型的復合材料設計分析，材料產品一體化設計。

在新版本出版之際，感謝中材科技風電葉片股份有限公司魯曉鋒總監在工作中的指導，感謝唐金錢、張顏明、王艷、周帆等同事在工作中的幫助和支持。感謝北京航空航天大學能源與動力工程學院柳愷騁、陳立強在本書編寫過程中給予的幫助。

由于時間倉促，加之本書內容新、涉及面廣及作者水平有限，書中不足之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正，作者聯系方式為：zhanying.li@qq.com。

編者

2020年6月

序
前言

第1章基礎知識 1
1.1 復合材料概論 1
1.1.1 復合材料及其種類 1
1.1.2 復合材料的構造形式 5
1.1.3 復合材料的制造工藝 6
1.1.4 復合材料的力學分析 6
1.1.5 復合材料的力學性能 7
1.1.6 復合材料的各種應用 9
1.1.7 復合材料創新設計 11
1.2 ANSYS軟件 12
1.2.1 Workbench仿真平臺 13
1.2.2 Mechanical模塊功能 16
1.3 ACP模塊 20
1.3.1 模塊功能 22
1.3.2 應用案例 27
1.4 ACP新功能 28
1.4.1 易用性及性能 29
1.4.2 復合材料建模評估 29
1.4.3 其他程序接口 30
1.5 歷史版本ACP項目遷移 30
1.5.1 平臺運行模式ACP 31
1.5.2 獨立運行模式ACP 31
1.5.3 Python腳本模式 31
第2章快速入門 32
2.1 圖形用戶界面 32
2.1.1 主菜單（Menu） 33
2.1.2 特征樹（Tree View） 37
2.1.3 場景（Scene） 38
2.1.4 工具欄（Toolbar） 38
2.1.5 視圖窗格（View Panes） 41
2.2 平臺運行模式 43
2.2.1 標準工作流程 43
2.2.2 ACP組件屬性 45
2.2.3 支持的分析類型 46
2.2.4 多工況分析流程 47
2.2.5 共享復合材料定義流程 47
2.2.6 實體單元建模流程 48
2.2.7 模型裝配工作流程 49
2.3 獨立運行模式 51
2.4 入門練習 53
2.4.1 練習1 53
2.4.2 練習2 80
第3章用戶手冊 89
3.1 詳細功能 89
3.1.1 模型（Model） 89
3.1.2 材料數據（Material Data） 97
3.1.3 單元和節點集（Element and Edge
Sets） 107
3.1.4 幾何（Geometry） 108
3.1.5 坐標系（Rosettes） 111
3.1.6 插值表（Look-up Tables） 113
3.1.7 選擇規則（Selection Rules） 119
3.1.8 方向選擇集（Oriented Selection
Sets，OSS） 128
3.1.9 鋪層組（Modeling Groups） 131
3.1.10 場定義（Field Definitions） 143
3.1.11 采樣點（Sampling Points） 145
3.1.12 切面（Section Cuts） 146
3.1.13 傳感器（Sensors） 148
3.1.14 實體模型（Solid Models） 149
3.1.15 鋪層圖（Layup Plots） 167
3.1.16 失效準則定義（Definitions） 173
3.1.17 結果集（Solutions） 174
3.1.18 場景（Scenes） 184
3.1.19 視圖（Views） 185
3.1.20 鋪層書（Ply Book） 185
3.1.21 參數化（Parameters） 186
3.1.22 材料庫（Material Databank） 189
3.2 后處理 189
3.2.1 失效準則 189
3.2.2 失效指標 190
3.2.3 主應力和主應變 190
3.2.4 損傷線性化 190
3.2.5 復合材料實體單元后處理 190
3.2.6 掉層和切割單元后處理 192
3.2.7 自定義失效準則 192
3.2.8 局限和建議 195
3.3 程序接口 196
3.3.1 HDF5復合材料CAE格式 196
3.3.2 Mechanical APDL網格模型 196
3.3.3 Mechanical APDL復合材料模型 196
3.3.4 Excel表格數據 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章復合材料建模 201
4.1 T型接頭建模 201
4.2 局部加強建模 203
4.3 邊倒角和錯層 204
4.3.1 邊倒角 204
4.3.2 錯層 206
4.4 變厚度芯材 206
4.4.1 實體幾何 207
4.4.2 插值表 207
4.4.3 幾何切割規則 208
4.4.4 常規應用 209
4.5 可制造性分析 209
4.5.1 內部Draping算法 210
4.5.2 用戶自定義Draping數據 211
4.5.3 Draping結果的可視化 212
4.6 鋪層書生成 212
4.7 拉伸實體建模 213
4.7.1 使用場景 213
4.7.2 功能用法 214
4.7.3 生成原則 214
4.7.4 掉層和切割 214
4.7.5 工作流程 215
4.7.6 應用技巧 216
4.7.7 已知局限 216
4.8 復合材料可視化 216
4.8.1 模型可視化 216
4.8.2 結果可視化 217
4.9 復合材料失效準則 219
4.10 模型單元選擇 220
4.11 變材料數據 220
4.11.1 場變量定義 221
4.11.2 剪切角度 221
4.11.3 衰減因子 221
4.11.4 自定義場 222
4.11.5 插值算法 222
第5章典型應用 223
5.1 復合材料殼模型分析 223
5.1.1 前處理 223
5.1.2 分析求解 226
5.1.3 后處理 226
5.2 拉伸實體模型分析 227
5.2.1 前處理 227
5.2.2 分析求解 228
5.2.3 后處理 230
5.3 變材料數據分析 231
5.3.1 場變量參數 232
5.3.2 插值表填充 234
5.3.3 分析求解 235
5.3.4 變化數據影響 237
5.4 導入實體模型分析 237
5.4.1 導入實體網格 237
5.4.2 鋪層映射 240
5.4.3 結果后處理 241
5.5 材料產品一體化設計 242
5.5.1 Material Designer模塊 242
5.5.2 Engineering Data模塊 243
5.5.3 ACP模塊 243
5.5.4 Mechanical分析計算 246
第6章應用案例 247
6.1 沖浪板靜力分析 247
6.1.1 案例簡介 247
6.1.2 案例實現 248
6.1.3 案例小結 268
6.2 T型接頭鋪層定義 268
6.2.1 案例簡介 268
6.2.2 案例實現 269
6.2.3 案例小結 283
6.3 選擇規則使用 283
6.3.1 案例簡介 283
6.3.2 案例實現 284
6.3.3 案例小結 289
6.4 實體模型裝配 289
6.4.1 案例簡介 289
6.4.2 案例實現 289
6.4.3 案例小結 303
6.5 拉伸實體建模 303
6.5.1 案例簡介 303
6.5.2 案例實現 304
6.5.3 案例小結 309
6.6 導入實體建模 309
6.6.1 案例簡介 309
6.6.2 案例實現 310
6.6.3 案例小結 318
6.7 復合材料模型參數化 319
6.7.1 案例簡介 319
6.7.2 案例實現 319
6.7.3 案例小結 325
6.8 ACP腳本應用 326
6.8.1 案例簡介 326
6.8.2 ACP腳本基礎 326
6.8.3 ACP腳本實例 330
6.8.4 案例小結 336
6.9 復合材料子模型應用 336
6.9.1 案例簡介 336
6.9.2 案例實現 337
6.9.3 案例小結 350
6.10 鋪敷性分析 352
6.10.1 案例簡介 352
6.10.2 案例實現 353
6.10.3 案例小結 359
6.11 漸進損傷模擬 359
6.11.1 背景簡介 359
6.11.2 應用案例 360
6.11.3 案例小結 365
6.12 分層脫膠模擬 365
6.12.1 背景簡介 365
6.12.2 技術路線 366
6.12.3 應用案例 367
6.12.4 案例小結 371
附錄A 英美制單位與標準國際單位的換
算關系 372
附錄B 波音787（夢幻飛機） 373
附錄C 復合材料術語 377
附錄D ANSYS軟件術語 382
參考文獻 384