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【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。

图4 第二张铺层X方向应力矢量及云图

 第二张铺层垂直于纤维方向的应力就是结果中的Y方向应力,矢量及云图叠加显示如下图5所示。

图5 第二张铺层Y方向应力矢量及云图

 第二张铺层面内剪切应力就是结果中的XY方向应力,其云图如下图6所示。

图6 第二张铺层面内剪切应力云图

 失效指数

直接显示结果中已经存在的第二张铺层失效指数结果云图,如图7所示。

图7 第二张铺层失效指数云图

 从图7中可以看出在节点16位置失效指数最大,值为0.266。为进一步理解和验证上述显示的应力结果,使用节点16处的X方向应力、Y方向应力和XY方向应力手动计算这一点的失效指数,计算过程及结果如图8所示。

图8 手动计算节点16位置的失效指数

     手动计算的结果为0.267,与自动显示结果只在小数点后第三位有很小的差别,这可能因为公式中各计算量的有效数字个数不同所致。不过从结果对比可以确定的是我们对应力结果的解读是正确的。

NastranPatran复合材料
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首次发布时间:2019-03-01
最近编辑:1月前
五星连珠
硕士 | 客户经理 MSC
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