基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用

首本ANSYS复合材料解决方案的中文版学习书籍

解决复合材料产品铺层设计及校核难题。ANSYS复合材料产品能够高效定义复合材料产品铺层表，全面校核失效模式，并进行参数化优化设计。

全面覆盖ANSYS复合材料基础与高级应用

包含2个入门练习、9个基础应用案例及8个专题应用案例。基础案例Step by Step讲解软件操作流程。专题应用案例包含了对应专题的技术路线。

附赠超值源文件

本书附带源文件，包括所有章节相关案例的原始输入文件及计算结果文件，最大限度地提高读者的学习效率。

复合材料是一大类新型材料，其强度高、刚度大、质量轻，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部门日益得到广泛的应用。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和选修课。

作者多年来从事ANSYS软件应用工程师的工作，与不同行业的复合材料技术人员进行接触。如今在参考ANSYS最新复合材料相关资料的基础上，编写了这本《基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用》。ANSYS是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有强健的计算功能和模拟性能。本书是基于ANSYS软件18.0版本进行复合材料有限元分析与应用的入门指南和工程分析教程。全书通过相关例题和讨论，系统地介绍了ANSYS软件在复合材料方面的主要功能和应用方法。包括：基础知识、快速入门、用户手册、复杂复合材料建模技术、应用案例、专题技术。

本书是应用ANSYS有限元软件进行复合材料力学分析和结构计算的必备工具书，可供从事复合材料工程设计和有限元分析的科研人员和工程师等阅读和参考。

在本书出版之际，感谢北京航空航天大学能源与动力工程学院的阚川、张承承、陈立强、闫成、曲震、刘浩、刘玉、柳恺骋、张涛、吴勇军、崔伟、吴静、廖祜明、韩乐、侯文松、顾毅、刘华伟、王文在本书编写过程中的辛勤工作。

由于时间仓促，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。

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 复合材料的基本构造形式 5
1.1.3 复合材料的制造方法 6
1.1.4 复合材料的力学分析方法 7
1.1.5 复合材料的力学性能 8
1.1.6 复合材料的各种应用 9
1.1.7 复合材料创新设计方法 11
1.2 ANSYS软件 13
1.2.1 Workbench仿真平台 13
1.2.2 Mechanical模块 16
1.3 ACP模块 21
1.3.1 模块功能 22
1.3.2 安装及学习 27
1.3.3 应用案例 28
第2章 快速入门 30
2.1 图形用户界面 30
2.1.1 主菜单Menu 30
2.1.2 特征树Tree View 31
2.1.3 场景Scene 32
2.1.4 工具栏Toolbar 32
2.1.5 Shell视图 32
2.1.6 History历史视图 32
2.1.7 Logger视图 32
2.2 独立运行模式 32
2.3 老版本ACP项目的迁移 34
2.4 Workbench典型工作流程 34
2.4.1 基本工作流程 34
2.4.2 多工况/分析类型的
工作流程 36
2.4.3 不同模型共享复合材料定义
分析流程 36
2.4.4 实体单元建模工作流程 37
2.4.5 多流程装配工作流程 37
2.5 入门练习 39
2.5.1 练习1 39
2.5.2 练习2 62
第3章 用户手册 72
3.1 详细功能 72
3.1.1 模型Model 72
3.1.2 材料数据 74
3.1.3 单元和节点集 78
3.1.4 几何Geometry 78
3.1.5 坐标系Rosettes 81
3.1.6 速查表Look-up 82
3.1.7 选择规则Selection Rules 83
3.1.8 方向选择集（OSS） 89
3.1.9 铺层组Modeling Groups 91
3.1.10 分析铺层组Analysis Modeling
Groups 100
3.1.11 采样点Sampling Points 100
3.1.12 切面Section Cuts 101
3.1.13 传感器Sensors 103
3.1.14 实体模型（Solid Models） 104
3.1.15 铺层图Lay-up Plots 114
3.1.16 失效准则定义Definitions 116
3.1.17 结果集Solutions 116
3.1.18 场景Scenes 118
3.1.19 视图Views 118
3.1.20 铺层表Ply Book 118
3.1.21 参数Parameters 118
3.1.22 材料库Material Databank 121
3.2 后处理 121
3.2.1 失效准则 121
3.2.2 失效模式指标 122
3.2.3 主应力和主应变 122
3.2.4 复合材料实体单元后处理 122
3.3 第三方软件数据交互 123
3.3.1 HDF5复合材料CAE格式 123
3.3.2 Mechanical APDL文件格式 123
3.3.3 Mechanical APDL复合材料模型
的转换 124
3.3.4 Excel的表格数据格式 124
3.3.5 CSV格式 124
3.3.6 ESAComp 125
3.3.7 LS-Dyna 125
3.3.8 BECAS 125
第4章 复杂复合材料建模技术 126
4.1 T型接头建模 126
4.2 局部加强建模 128
4.3 铺层渐变和错层 129
4.4 变厚度芯材 130
4.5 可制造性分析 132
4.6 铺层表 133
4.7 实体单元模型建立 135
4.8 复合材料可视化 136
4.9 复合材料失效准则 137
4.10 ACP模块中的单元选择 137
第5章 应用案例 139
5.1 冲浪板静强度分析 139
5.1.1 案例简介 139
5.1.2 案例实现 140
5.2 采用Edge Wise坐标系定义螺旋结构
纤维方向 160
5.2.1 案例简介 160
5.2.2 案例实现 161
5.3 T型接头铺层定义练习 166
5.3.1 案例简介 166
5.3.2 案例实现 167
5.4 规则使用练习 178
5.4.1 案例简介 178
5.4.2 案例实现 179
5.5 铺敷性分析练习 185
5.5.1 案例简介 185
5.5.2 案例实现 186
5.6 复合材料实体模型装配体练习 190
5.6.1 案例简介 190
5.6.2 案例实现 191
5.7 复合材料压力容器实体建模练习 201
5.7.1 案例简介 201
5.7.2 案例实现 202
5.8 高级复合材料实体建模练习 209
5.8.1 案例简介 209
5.8.2 案例实现 209
5.9 复合材料搭接接头脱胶（Debonding）
模拟 215
5.9.1 案例简介 215
5.9.2 案例实现 215
第6章 专题技术 226
6.1 复合材料模型参数化 226
6.1.1 案例简介 226
6.1.2 案例实现 226
6.2 分层和脱胶模拟 234
6.2.1 理论及技术路线 234
6.2.2 应用案例 235
6.3 整体结构局部细化分析—
子模型技术 242
6.3.1 案例简介 242
6.3.2 案例实现 242
6.4 复合材料转子动力学分析 250
6.4.1 案例简介 250
6.4.2 案例实现 251
6.5 渐进损伤模拟技术 261
6.5.1 理论及技术路线 261
6.5.2 应用案例 261
6.6 温度相关复合材料属性 266
6.6.1 案例简介 266
6.6.2 案例实现 266
6.7 温度、剪力和退化相关复合材料属性 271
6.7.1 案例简介 271
6.7.2 案例实现 272
6.8 ACP模块中的脚本应用 275
6.8.1 案例简介 275
6.8.2 案例实现 275
附录A 英美制单位与标准国际单位的
换算关系 280
附录B 波音787（梦幻飞机）简介 282
术语 286
参考文献 292

1. ANSYS Workbench在压力容器分析中的应用与技术评论 [栾春远 编著]
2. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版） [李占营 张承承 李成良 编著]
3. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
4. 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]
5. 全新Marc实例教程及常见问题解析 [孙丹丹 陈火红 编著]
6. 基于HyperMesh的结构有限元建模技术 [付亚兰 谢素明 编著]
7. MSC产品实用技术技巧 [MSC软件公司 编著]
8. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例 [张涛 等编著]
9. ANSYS Workbench基础教程与实例详解（第二版） [浦广益]
10. ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用 [张洪伟 高相胜 张庆余 编著]
11. ANSYS信号完整性分析与仿真实例 [房丽丽 编著]
12. 全新Marc实例教程与常见问题解析 [冯超 孙丹丹 陈火红]
13. 压力容器全模型ANSYS分析与强度计算新规范 [栾春远 编著]
14. MSC Nastran动力分析指南 [田利思 李相辉 马越峰 赵明宇]
15. ANSYS 13.0 Workbench数值模拟技术 [许京荆]
16. ANSYS二次开发及应用实例详解 [师访]
17. ANSYS流固耦合分析与工程实例 [宋学官 蔡林 张华 编著]
18. ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解 [纪兵兵 陈金瓶]
19. ANSYS 10.0工程电磁分析技术与实例详解 [阎照文]
20. ANSYS土木工程应用实例（第三版） [何本国 主 编]