前 言

復(fù)合材料是一大類新型材料，其強(qiáng)度高、剛度大、重量輕，并具有抗疲勞、減振、耐高溫、可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，近50年來(lái)，在航空航天、能源、交通、建筑、機(jī)械、信息、生物、醫(yī)學(xué)和體育等工程和領(lǐng)域日益得到廣泛的應(yīng)用，特別是風(fēng)力發(fā)電、民用航空和汽車工業(yè)的應(yīng)用。隨著各種新型復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，復(fù)合材料力學(xué)已形成獨(dú)立的學(xué)科體系并蓬勃發(fā)展。國(guó)內(nèi)外不少高等院校已將“復(fù)合材料力學(xué)”列為力學(xué)專業(yè)及相關(guān)的理工科專業(yè)本科生和研究生的必修課和選修課。

ANSYS軟件具有全面的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析功能。自本書(shū)第一版出版以來(lái)，ANSYS軟件已經(jīng)發(fā)布了多個(gè)大版本。在復(fù)合材料功能方面，為滿足最新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)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(chǎng)變量插值材料性能，模擬空間、溫度、固化度場(chǎng)對(duì)力學(xué)性能的影響；選擇規(guī)則功能提升，實(shí)現(xiàn)更加靈活的鋪層定義；拉伸實(shí)體精度提升；導(dǎo)入實(shí)體鋪層映射；材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)；更加完善的Python腳本功能。

為使讀者全面掌握ANSYS復(fù)合材料的最新進(jìn)展，將其更好地應(yīng)用到研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中，作者基于多年ANSYS軟件應(yīng)用推廣的經(jīng)驗(yàn)，以及近年從事風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)分析的經(jīng)歷，從3個(gè)方面對(duì)本書(shū)進(jìn)行了更新。首先，在第1章中，介紹了ANSYS 18.0以來(lái)ACP模塊的重要新功能。其次，在第2至第5章中，系統(tǒng)全面地更新了ANSYS ACP的詳細(xì)功能。最后，系統(tǒng)地介紹了ANSYS軟件5種典型應(yīng)用場(chǎng)景和12個(gè)應(yīng)用案例。

本書(shū)適用于5種常用的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析應(yīng)用場(chǎng)景：基于殼模型的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析，場(chǎng)變量相關(guān)的材料性能對(duì)結(jié)構(gòu)行為的影響分析，基于拉伸實(shí)體進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析，基于導(dǎo)入實(shí)體模型的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析，材料產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)。

在新版本出版之際，感謝中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司魯曉鋒總監(jiān)在工作中的指導(dǎo)，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(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院柳愷騁、陳立強(qiáng)在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中給予的幫助。

由于時(shí)間倉(cāng)促，加之本書(shū)內(nèi)容新、涉及面廣及作者水平有限，書(shū)中不足之處在所難免，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正，作者聯(lián)系方式為：zhanying.li@qq.com。

編 者

2020年6月

序
前言

第1章 基礎(chǔ)知識(shí) 1
1.1 復(fù)合材料概論 1
1.1.1 復(fù)合材料及其種類 1
1.1.2 復(fù)合材料的構(gòu)造形式 5
1.1.3 復(fù)合材料的制造工藝 6
1.1.4 復(fù)合材料的力學(xué)分析 6
1.1.5 復(fù)合材料的力學(xué)性能 7
1.1.6 復(fù)合材料的各種應(yīng)用 9
1.1.7 復(fù)合材料創(chuàng)新設(shè)計(jì) 11
1.2 ANSYS軟件 12
1.2.1 Workbench仿真平臺(tái) 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(yīng)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(fù)合材料建模評(píng)估 29
1.4.3 其他程序接口 30
1.5 歷史版本ACP項(xiàng)目遷移 30
1.5.1 平臺(tái)運(yùn)行模式ACP 31
1.5.2 獨(dú)立運(yùn)行模式ACP 31
1.5.3 Python腳本模式 31
第2章 快速入門(mén) 32
2.1 圖形用戶界面 32
2.1.1 主菜單（Menu） 33
2.1.2 特征樹(shù)（Tree View） 37
2.1.3 場(chǎng)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(tái)運(yùn)行模式 43
2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料定義流程 47
2.2.6 實(shí)體單元建模流程 48
2.2.7 模型裝配工作流程 49
2.3 獨(dú)立運(yùn)行模式 51
2.4 入門(mén)練習(xí) 53
2.4.1 練習(xí)1 53
2.4.2 練習(xí)2 80
第3章 用戶手冊(cè) 89
3.1 詳細(xì)功能 89
3.1.1 模型（Model） 89
3.1.2 材料數(shù)據(jù)（Material Data） 97
3.1.3 單元和節(jié)點(diǎn)集（Element and Edge
Sets） 107
3.1.4 幾何（Geometry） 108
3.1.5 坐標(biāo)系（Rosettes） 111
3.1.6 插值表（Look-up Tables） 113
3.1.7 選擇規(guī)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(chǎng)定義（Field Definitions） 143
3.1.11 采樣點(diǎn)（Sampling Points） 145
3.1.12 切面（Section Cuts） 146
3.1.13 傳感器（Sensors） 148
3.1.14 實(shí)體模型（Solid Models） 149
3.1.15 鋪層圖（Layup Plots） 167
3.1.16 失效準(zhǔn)則定義（Definitions） 173
3.1.17 結(jié)果集（Solutions） 174
3.1.18 場(chǎng)景（Scenes） 184
3.1.19 視圖（Views） 185
3.1.20 鋪層書(shū)（Ply Book） 185
3.1.21 參數(shù)化（Parameters） 186
3.1.22 材料庫(kù)（Material Databank） 189
3.2 后處理 189
3.2.1 失效準(zhǔn)則 189
3.2.2 失效指標(biāo) 190
3.2.3 主應(yīng)力和主應(yīng)變 190
3.2.4 損傷線性化 190
3.2.5 復(fù)合材料實(shí)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(zhǔn)則 192
3.2.8 局限和建議 195
3.3 程序接口 196
3.3.1 HDF5復(fù)合材料CAE格式 196
3.3.2 Mechanical APDL網(wǎng)格模型 196
3.3.3 Mechanical APDL復(fù)合材料模型 196
3.3.4 Excel表格數(shù)據(jù) 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(fù)合材料建模 201
4.1 T型接頭建模 201
4.2 局部加強(qiáng)建模 203
4.3 邊倒角和錯(cuò)層 204
4.3.1 邊倒角 204
4.3.2 錯(cuò)層 206
4.4 變厚度芯材 206
4.4.1 實(shí)體幾何 207
4.4.2 插值表 207
4.4.3 幾何切割規(guī)則 208
4.4.4 常規(guī)應(yīng)用 209
4.5 可制造性分析 209
4.5.1 內(nèi)部Draping算法 210
4.5.2 用戶自定義Draping數(shù)據(jù) 211
4.5.3 Draping結(jié)果的可視化 212
4.6 鋪層書(shū)生成 212
4.7 拉伸實(shí)體建模 213
4.7.1 使用場(chǎng)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(yīng)用技巧 216
4.7.7 已知局限 216
4.8 復(fù)合材料可視化 216
4.8.1 模型可視化 216
4.8.2 結(jié)果可視化 217
4.9 復(fù)合材料失效準(zhǔn)則 219
4.10 模型單元選擇 220
4.11 變材料數(shù)據(jù) 220
4.11.1 場(chǎng)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(chǎng) 222
4.11.5 插值算法 222
第5章 典型應(yīng)用 223
5.1 復(fù)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(shí)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(shù)據(jù)分析 231
5.3.1 場(chǎng)變量參數(shù) 232
5.3.2 插值表填充 234
5.3.3 分析求解 235
5.3.4 變化數(shù)據(jù)影響 237
5.4 導(dǎo)入實(shí)體模型分析 237
5.4.1 導(dǎo)入實(shí)體網(wǎng)格 237
5.4.2 鋪層映射 240
5.4.3 結(jié)果后處理 241
5.5 材料產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì) 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(jì)算 246
第6章 應(yīng)用案例 247
6.1 沖浪板靜力分析 247
6.1.1 案例簡(jiǎn)介 247
6.1.2 案例實(shí)現(xiàn) 248
6.1.3 案例小結(jié) 268
6.2 T型接頭鋪層定義 268
6.2.1 案例簡(jiǎn)介 268
6.2.2 案例實(shí)現(xiàn) 269
6.2.3 案例小結(jié) 283
6.3 選擇規(guī)則使用 283
6.3.1 案例簡(jiǎn)介 283
6.3.2 案例實(shí)現(xiàn) 284
6.3.3 案例小結(jié) 289
6.4 實(shí)體模型裝配 289
6.4.1 案例簡(jiǎn)介 289
6.4.2 案例實(shí)現(xiàn) 289
6.4.3 案例小結(jié) 303
6.5 拉伸實(shí)體建模 303
6.5.1 案例簡(jiǎn)介 303
6.5.2 案例實(shí)現(xiàn) 304
6.5.3 案例小結(jié) 309
6.6 導(dǎo)入實(shí)體建模 309
6.6.1 案例簡(jiǎn)介 309
6.6.2 案例實(shí)現(xiàn) 310
6.6.3 案例小結(jié) 318
6.7 復(fù)合材料模型參數(shù)化 319
6.7.1 案例簡(jiǎn)介 319
6.7.2 案例實(shí)現(xiàn) 319
6.7.3 案例小結(jié) 325
6.8 ACP腳本應(yīng)用 326
6.8.1 案例簡(jiǎn)介 326
6.8.2 ACP腳本基礎(chǔ) 326
6.8.3 ACP腳本實(shí)例 330
6.8.4 案例小結(jié) 336
6.9 復(fù)合材料子模型應(yīng)用 336
6.9.1 案例簡(jiǎn)介 336
6.9.2 案例實(shí)現(xiàn) 337
6.9.3 案例小結(jié) 350
6.10 鋪敷性分析 352
6.10.1 案例簡(jiǎn)介 352
6.10.2 案例實(shí)現(xiàn) 353
6.10.3 案例小結(jié) 359
6.11 漸進(jìn)損傷模擬 359
6.11.1 背景簡(jiǎn)介 359
6.11.2 應(yīng)用案例 360
6.11.3 案例小結(jié) 365
6.12 分層脫膠模擬 365
6.12.1 背景簡(jiǎn)介 365
6.12.2 技術(shù)路線 366
6.12.3 應(yīng)用案例 367
6.12.4 案例小結(jié) 371
附錄A 英美制單位與標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際單位的換
算關(guān)系 372
附錄B 波音787（夢(mèng)幻飛機(jī)） 373
附錄C 復(fù)合材料術(shù)語(yǔ) 377
附錄D ANSYS軟件術(shù)語(yǔ) 382
參考文獻(xiàn) 384

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16. MSC Nastran動(dòng)力分析指南（第二版） [李保國(guó) 黃曉銘 裴延軍 李偉 ]
17. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)情景化教程（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主編 王宏斌 張尼奇 王鋒]
18. 計(jì)算機(jī)一級(jí)MS Office全真模擬手冊(cè)（第二版） [主編 張建軍 李瑛 王鋒]
19. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)（Windows 7+Office 2010） [主編 張曉琪 唐天國(guó)]
20. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)與習(xí)題指導(dǎo)（Windows 7+Office 2010） [主編 唐天國(guó) 曾慶勇]
21. Altium Designer 17電路設(shè)計(jì)案例教程 [主編 王靜]
22. ANSYS AQWA軟件入門(mén)與提高 [主編 高巍]
23. MSC Adams 多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析（第二版） [湯滌軍 張躍 編著]
24. ANSYS APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例（第二版） [李占營(yíng) 闞川 等編著]
25. 基于ANSYS的復(fù)合材料有限元分析和應(yīng)用 [李占營(yíng) 闞川 張承承 編著]
26. 計(jì)算機(jī)導(dǎo)論（基于Windows 7+Office 2010）（第二版） [主編 柳青]
27. 全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試一級(jí)MS Office教程及實(shí)訓(xùn)指導(dǎo) [主編 張心越 劉玉芳 邢怡]
28. ANSYS Icepak進(jìn)階應(yīng)用導(dǎo)航案例 [王永康　張義芳　編著]
29. Web服務(wù)器群集 [主編　肖睿　翟慧　郭峰]
30. Office 2010辦公自動(dòng)化案例教程 [主編 林灃]