【复材三问】材料方向到底是咋回事

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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了铺层复合材料结构仿真中材料方向与应力结果的关系，以及如何正确解读应力结果。文章指出，材料方向是仿真中的关键要素，决定了铺层纤维方向，从而影响应力结果的解读。通过显示材料方向、纤维方向应力、垂直于纤维方向应力和面内剪切应力，可以评估铺层的失效情况。文章还详细解释了如何使用蔡吴准则计算失效指数，并通过实例验证了应力结果解读的正确性。

掌握了仿真流程能够确保得到分析结果，但不懂怎么解读就没法确定结果是否准确和有效。本文将从初学者常遇到的一系列问题出发，介绍“材料方向”与分析结果的关系，以及应力结果的解读方式。

问题描述

其实显示应力结果很容易，但正交各向异性的铺层复合材料结构该查看什么应力？显示的应力结果与失效结果有什么关系？

下图1显示的是结构中第一张铺层（0度铺层）的X方向应力云图，这里的“X方向”是全局坐标系的X轴方向，是单元坐标系的X轴方向，是单元的材料方向，还是这张铺层的纤维方向？如果是全局坐标系的X轴方向或单元坐标系的X轴方向那显示的结果怎么判断结构是否发生破坏？如果是单元的材料方向那么非0度铺层怎么判断是否发生破坏？

图1 第一张铺层X方向应力云图

材料方向

在铺层复合材料结构仿真中材料方向是一个非常关键的要素。在前处理过程中虽然只需设定一个材料方向（设置方式在上一篇推文中有介绍），但是真正发挥作用的确是很多个向量。设定的向量自动向每个单元面投影，得到每个单元的材料方向。单元的材料方向作为铺层角度的参考，能够确定每张铺层的纤维方向。每张铺层的纤维方向就是这张铺层的材料方向，后处理时就是使用这个方向来显示结果。

在Patran中可以显示已经定义好的层合板中任意层的材料方向。下图2显示了45铺层材料方向的显示方法和显示效果。

图2 45度铺层材料方向

应力结果

常见的铺层复合材料结构失效准则有多个，包括最大应力准则、蔡吴准则、希尔准则等。无论哪个失效准则，都是根据铺层纤维方向的应力σ1、面内垂直于纤维方向的应力σ2、面内剪切应力τ12，结合已知的铺层单层在纤维方向的拉、压强度、垂直于纤维方向的拉、压强度、面内剪切强度，从而计算得出每张铺层的失效指数。由此可知，每张铺层有意义的应力结果是纤维方向的应力结果、垂直于纤维方向的应力结果和面内剪切应力结果。

本文中使用的是蔡吴准则，各强度指标、失效计算公式及参数对应如下图3所示。

图3 蔡吴准则失效计算

每张铺层的材料方向就是这张铺层的纤维方向，显示结果时选定这张铺层直接显示X方向的应力即可。为了验证铺层的X方向应力结果就是纤维方向的应力结果，可以通过向量形式来进行结果显示。选择第二张铺层（45度铺层），显示其X方向的应力结果，可以发现应力矢量与前面显示的45度铺层的材料方向一致，由此可以确定X方向即为铺层的纤维方向。将应力矢量图与X方向应力云图叠加显示如下图4所示。