基于ANSYS的復(fù)合材料有限元分析和應(yīng)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(zé)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(shù)】392

【千字?jǐn)?shù)】612

【印張】24.5

【定價】￥95

【叢書】萬水ANSYS技術(shù)叢書

【備注信息】

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ANSYS是國際上先進(jìn)的大型通用仿真分析軟件之一，具有全面的模擬和強(qiáng)健的計算能力。本書是基于ANSYS軟件進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的入門指南和工程分析教程。在第一版的基礎(chǔ)上，從3個方面對本書進(jìn)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(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)用場景和12個應(yīng)用案例。本書學(xué)習(xí)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(yīng)用ANSYS 2020有限元軟件進(jìn)行復(fù)合材料力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)計算的必備工具書，可供從事復(fù)合材料工程設(shè)計和有限元分析的科研人員和工程師等閱讀、參考。

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)計等一系列優(yōu)點，近50年來，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)合材料的開發(fā)和應(yīng)用，復(fù)合材料力學(xué)已形成獨立的學(xué)科體系并蓬勃發(fā)展。國內(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)計分析功能。自本書第一版出版以來，ANSYS軟件已經(jīng)發(fā)布了多個大版本。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(xué)性能的影響；選擇規(guī)則功能提升，實現(xiàn)更加靈活的鋪層定義；拉伸實體精度提升；導(dǎo)入實體鋪層映射；材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計；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)計工作中，作者基于多年ANSYS軟件應(yīng)用推廣的經(jīng)驗，以及近年從事風(fēng)電葉片設(shè)計分析的經(jīng)歷，從3個方面對本書進(jìn)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(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)用場景和12個應(yīng)用案例。

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

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)能源與動力工程學(xué)院柳愷騁、陳立強(qiáng)在本書編寫過程中給予的幫助。

由于時間倉促，加之本書內(nèi)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(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 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 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(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(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(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 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(zhǔn)則定義（Definitions） 173
3.1.17 結(jié)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(shù)化（Parameters） 186
3.1.22 材料庫（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(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(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(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)入實體模型分析 237
5.4.1 導(dǎo)入實體網(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 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(yīng)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(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 案例簡介 268
6.2.2 案例實現(xiàn) 269
6.2.3 案例小結(jié) 283
6.3 選擇規(guī)則使用 283
6.3.1 案例簡介 283
6.3.2 案例實現(xiàn) 284
6.3.3 案例小結(jié) 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(xiàn) 289
6.4.3 案例小結(jié) 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(xiàn) 304
6.5.3 案例小結(jié) 309
6.6 導(dǎo)入實體建模 309
6.6.1 案例簡介 309
6.6.2 案例實現(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 案例簡介 319
6.7.2 案例實現(xiàn) 319
6.7.3 案例小結(jié) 325
6.8 ACP腳本應(yīng)用 326
6.8.1 案例簡介 326
6.8.2 ACP腳本基礎(chǔ) 326
6.8.3 ACP腳本實例 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 案例簡介 336
6.9.2 案例實現(xiàn) 337
6.9.3 案例小結(jié) 350
6.10 鋪敷性分析 352
6.10.1 案例簡介 352
6.10.2 案例實現(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)國際單位的換
算關(guān)系 372
附錄B 波音787（夢幻飛機(jī)） 373
附錄C 復(fù)合材料術(shù)語 377
附錄D ANSYS軟件術(shù)語 382
參考文獻(xiàn) 384