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子模型法在复合材料ACP分析的应用

仿真圈

6月前浏览8002

引言：本文首先介绍子模型法及其应用意义，其次简述ANSYS Composite PrepPost（ACP）在复合材料中的应用基本流程，最后给出子模型法在ACP中的一个应用操作流程。

一、子模型方法简介

1、子模型方法定义子模型

方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法。切割边界是指子模型从整个较为粗糙网格划分的整体模型分割开的边界，子模型的边界条件就是采用整体模型计算分析后的切割边界位置的计算位移量。

子模型基于圣维南原理，如果实际载荷被合理等效载荷替代，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，对离荷载作用区稍远的地方并没有影响，因此若子模型位置与应力集中位置较远，就认为可以获得较为准确的求解结果。

2、子模型分析方法意义

子模型技术可以对下面几种情况有很好的应用，保证计算的求解精度。

① 应力集中问题：用户关心的区域诸如应力集中区域需要划分细密网格或局部区域网格加密，以保证求解的精度。这就可以采用子模型法，切割边界对细节位置进行计算。

② 应力奇异问题：简化模型特征后，诸如去除圆角后而形成直边连接，这会造成应力奇异（应力奇异是指有限元模型中由于几何构造或者载荷引起的弹性理论计算应力值无限大），求解结果并非是真实而是发散的，奇异位置不能利用网格加密获得收敛解。若是如果奇异点不在关心的区域，评估可以选择仅仅显示关心的零件或者表面。若是奇异点出现在关心的区域和去除特征的例如圆角等的位置，可以利用子模型法切割边界后对细节圆角位置重新建模，能够解决应力奇异问题。

③ 其他问题：可以通过子模型技术对于感兴趣的区域进行探索设计，诸如钢结构节点细节设计、验证网格的对于计算精度的无关性等。

二、子模型分析流程

ANSYS/ABAQUS等有限元软件目前都具有子模型法分析的能力。本文以ANSYS Workbench平台为例，如图1所示利用子模型法对某机构的钳形零件进行应力奇异和应力集中问题分析的流程如下：

图1

1、建模与分割零件

建立子模型和其他部分结构，构成整体模型，如图图2所示。

图2

2、求解粗糙模型

按照一般静力学分析，进行粗糙网格模型的求解。认为粗糙的模型提供了较为准确的位移解（可以参阅石亦平编著的ABAQUS相关书籍中对于不同单元形状和单元类型位移解和应力解的比较）。

3、修正子模型结构几何

复制粗糙模型项目，抑制子模型结构外的其他结构，对子模型关心区域位置进行几何修改和补全，如图3所示。

图3

4、提取边界条件

将粗糙模型的求解结果引入子模型结构中，通过粗糙模型的位移解提取细化模型应力解的边界条件，如图4所示。

图4

5、施加精细模型对子模

型结构关注细节进行细化网格，如图5所示。细化的模型提供了更为精准的数值解。

图5

6、求解后处理

对比粗糙网格整体模型与细化网格子模型，判断结果，如图6和图7所示。

图6

图7

三、复合材料ACP

ANSYS Composite PrepPost（ACP）可以对中尺度（通过铺层设计、定义单层厚度、材料属性、铺层纤维角度等，进行应力、应变、层间失效等分析）复合材料结构的进行数值研究仿真分析，集成于ANSYS Workbench工作平台，包括ACP（Pre）和ACP(Post）两个模块，求解器采用ANSYS Solver进行求解。

四、ACP（Pre）前处理

1、Material Data设置

导航树中【Material Data】分支包括内容如图8所示��

图8

(1)【Materials】子菜单：记录Workbench平台【Engineering Data】建立的材料数据。

(2)【Fabrics】子菜单：建立单层纤维属性，例如图8所示定义材料、厚度和极轴属性。

(3)【Stackups】子菜单：用于创建叠层，能够设置对称选型、层顺序，组合定义每个Fabrics的使用和铺层角度等，如图9所示。

(4)【SubLaminate】子菜单：用于对【Fabrics】子菜单和【Stackups】子菜单的内容组合成为子层板。

图9

2、 Element Sets与Edge Sets设置

Element Sets与Edge Sets两种集合下的内容可以在各自分支下建立，但建议预先通过【Modal】单元格对壳体和边进行命名选择（Named Selections）获得，如图10所示。

图10

3、Geometry设置

导航树中【CAD Geometry】分支用来输入外部CAD建模几何，主要目的用来对【Solid Models】模块建立的实体复材结构修正几何（Snap To Geometry与Cut Off Geometry），如图11所示。

图11

4、Rosettes设置

Rosettes用来定义参照方向（0°纤维方向），Rosette的X轴定为参照方向。如图12所示，可以获得的Rosettes方案如下：

① Parallel Rosette
② Cylindrical Rosette
③ Radial Rosette
④ Spherical Rosette
⑤ Edge Wise Rosette

图12

5、Oriented Element Sets设置

如图13所示，Oriented Element Sets定义单元集合、方向和参考方向。

(1)【Element Sets】用于选择单元集合，例如步骤②。

(2)【Orientation】采用Orientation Point和Orientation Directions定义铺层的方向的位置。

(3) 基于【Selection Method】定义单元的参考方向，如步骤③所示，可以选择包括Maximum Angle、Maximum Angle Superposed、Minimum Angle、Minimum Angle Superposed、Minimum Distance、Minimum Distance Superposed等方法用于控制。

图13

6、ModelingGroup设置

创建ModelingGroup和ModelingPly，如图14所示。

(1) 右键插入ModelingGroup，生成ModelingGroup.1。

(2) 再次在生成的ModelingGroup.1上建立ModelingPly.1，赋予Oriented Selection Set内容，例如‘OrientedSelectionSet.1’；赋予Ply Material内容，可以选择Fabrics 、Stackup、SubLaminate，右键Update进行更新。

图14

7、Solid Models设置

如图15所示，Solid Models模块用于将壳体铺层转化为实体导出。其中，Snap to Geometry可以引入外部几何对提取的实体模型进行光顺。另外，Cut Off Geometry用于引入外部几何结构，对铺层的实体进行修剪，以满足需要的结构要求。

图15

五、ACP（Post）后处理

ACP_Post主要对于失效准则的定义和结构后处理的定义。

Step 1 定义失效准则

如图16所示，创建失效准则，右键Definitions插入Create Failure Criteria，生成FailureCriteria.1，并进行配置。

Step 2 查看结果后处理

(1) 右键Solution插入Create Criteria，并进行Updata更新数据和Show显示数据，如图17所示。

(2) 点选Solution环境下的项，例如Stress、Strain、Failure等，然后点击Modeling Group分支内单层细节，可以查看每一层的相对应项的数据，过程如图18所示。

(3) 失效评估如图19所示，其中采用的是Inverse Reserve Factor查看方法，该方法当Irf>1表明材料失效。另外，图中单元上字母表示的是失效对应的评估准则，例如tw表示Tsai-Wu失效，th表示Tsai-Hill失效s2t表示是拉应力失效，在材料2方向。

图16

图17

图18

图19

六、子模型在ACP中的应用流程

本部分主要针对子模型在ACP中传递数据的流程进行说明。

1、子模型分析首先需要对整体模型进行子模型切割，如图20所示在DM模块中创建整体模型，并进行切割边界。

图20

2、【Engineering Data】选择Composite Materials数据库材料Epoxy Carbon Woven (230 GPa) Wet，各向异性参数如图21所示。

图21

3、拖拽引入ACP_Pre前处理模块，完成该结构复合材料铺层设计如图22，流程参阅前文说明，略。ACP_Pre前处理后，拖拽静力学求解模块Static Structural进行项目流程图，将B5单元格内容拖拽至C2的Model单元格，选择导入数据形式为Shell，完成传递ACP壳体铺层结构进入静力学求解模块Static Structural。

图22

4、静力学求解，边界条件如图23所示，求解结果如图24所示。（注：本文为方便比较采用了整体应力显示，这并不恰当。请读者严格采用ACP_Post中ply的后处理结果。）

图23

图24

5、子模型的求解过程，首先对工程项目B进行复制获得工程项目E，进行相关几何结构抑制处理（仅保留中间结构），其次引入整体结构材料属性和Setup设置，设置工程项目传递过程路径如图25所示，在划分网格E4单元格中进行网格细化划分，并再次进行ACP_Pre铺层前处理，如图26所示。

图25

图26

6、求解子模型的创建可以采用：拖拽全新Static Structural工程项目，或对原有项目C进行复制创建。本例几何结构对称设置属性，采用原有项目复制创建，将项目E的Setup单元格拖入项目F的Model单元格，右键项目连接通道删掉项目C和项目F的连接通道数据传递，再将项目C中Solution单元格拖拽到项目F的Setup单元格上引入子模型的边界条件，需要对模型进行更新。

7、进入项目F，设置对称命名选择并抑制原有分析边界条件，右键Submodeling (F3)插入Imported Cut Boundary Constraint，并选择切割边界如图27和28所示。