复合材料结构设计的专用软件ESAComp(2)

3 同有限元软件结合使用的层合板分析工具

3.1 有限元软件的局限

尽管在层合板复合材料结构分析中大量使用有限元程序，但是它们在层合结构的结果后处理中存在着不足。例如，在层合板层的级别上来查看应力、应变的分布十分困难。对于复合材料的失效分析，有限元软件包提供的可选失效标准非常有限而且忽略了像夹层板面屈曲这样的具体失效模式。在评价层合板的应力-应变状态时，有限元程序通常不考虑可能的内部载荷。复合材料概念设计阶段需要进行的的有限元分析要比金属材料复杂得多，一般的有限元软件很难满足该阶段的设计需求。

3.2 设计开发周期

在对复合材料层合板结构进行有限元分析之前，必须有初始层合板设计。专业化的复合材

料分析工具能够有效地来设计这些层合板构造。在进行了第一轮的有限元分析之后，需要

对层合板设计进行修正。同样，在进行下一轮整体有限元模型分析之前，层合板分析和设计工具可以用来有效地研究层合板铺层方式的变化如何改变它们的性能。同时，还可以考虑有限元软件所没有考虑的失效模式问题。

当各种工具包之间实现了数据自动传输时，将层合板分析工具同有限元软件包一起使用变得更加合理，至少在某些程度上如此。图5 描述了ESAComp软件是如何实现有限元软件同层合板分析工具之间的交互作用的。

图5 层合板分析软件作为复合材料结构设计周期中的一部分

3.3 同有限元软件的匹配性问题

当使用层合板分析软件对有限元分析进行后处理时，很重要的一点时，有限元中单元的定义要同层合板分析中假设相一致。一般来说，这个问题不大，因为对于层合板的面内和弯曲行为，通用壳单元的一阶剪切变形理论(First-Order Shear Deformation Theory, FSDT)或Mindlin板理论同经典的层合板理论（Classical Lamination Theory）等效。经典层合理论不能考虑面外剪切变形问题，但是由于在一阶剪切变形理论中面外剪切变形同的面内和弯曲行为并不耦合，因此并不矛盾。但是，必须注意到不同的有限元代码处理面外剪切刚度的方式变化很大，而且对于何种为最佳方案没有定论。

当在层合板分析工具同有限元软件包之间进行数据交换时，还需要考虑许多其它的问题。坐标系统和层编号规则必须保持一致，否则就需要进行相应转换。同样也需要考虑单位系统的匹配性问题。有限元程序可以在单元坐标系统下也可以在材料坐标系统下提供单元应力-应变数据。但是对于层合板分析，必须在材料坐标系统下输入数据。

3.4 ESAComp-有限元软件交互界面

ESAComp程序提供了同主流有限元软件（ ABAQUS,ANSYS, I-DEAS, MSC.Nastran和NISA）的双向交互界面。见图6。

“有限元输出界面”可以将ESAComp程序的层合板定义同相关材料数据一起传输到有限元程序中。个别有限元代码支持文本文件格式来进行文件传输。ESAComp支持有限元程序中的层壳单元。对于一些有限元软件包，ESAComp同样支持其使用普通的壳单元。在这种情况下，ESAComp程序输出层合板刚度矩阵而不是材料数据和铺层方式。有时使用有限元软件的实体模型对层合板结构进行非常详细地分析。对此，ESAComp软件可以向有限元软件输出层材料数据这样的数据。

图6 针对ANSYS 程序的ESAComp交互界面

在ESAComp中，可以通过“有限元输入界面”来进行有限元程序的后处理。ESAComp程序读取其支持的有限元软件包生成的输出文件。ESAComp程序输入的数据是壳单元的合力/力矩或者相应的应变状态。用户必须从ESAComp程序中选择对应于结果的层结构。ESAComp可以对整套数据进行失效分析，确定数据点的门槛值，可能的失效模型和失效层。程序中，这里的数据点是指单元、积分点或节点，依赖于有限元软件提供的输出类型。对于从整套数据中选择的单个数据点，可以在层的级别上进行载荷响应或者失效分析。

在最近发布的交互界面中，针对MSC.Patran层合板模型的上述输入界面进行了进一步开发。使用该界面用户不用再需要将相关的层合板结构同结果联系起来，因为材料和层板数据都是由Patran程序传输到ESComp程序的。而且，每个单元所研究的层结构可以不同。需要研究的单元类型选定之后，可以由Patran程序中的用户交互界面直接调用ESAComp程序来进行详细的后处理。针对ANSYS也开发了相应的交互界面。进一步的开发计划包括可能从ESAComp到ANSYS 或Patran进行数据回馈而可以使用向量图来查看数据。

结论

和金属材料相比，复合材料的设计过程需要附加的阶段。有限元软件包对复合材料的分析起重要作用，但是满足不了复合材料设计需要专门的软件工具的需要。层合板分析工具可以用于层合板初期设计阶段的材料选择和设计。在包括了复合材料行为具体细节的后处理阶段和验证阶段，也同样需要这样的软件工具。ESAComp程序是这类软件的很好典范。

MarkkuPalanters, Componeering公司，芬兰，赫尔辛基 DA 中和华星编译(end)