FRP船艙段T型節點有限元分析

趙文龍++郭明恩++孫帥

摘 要：本文的有限元分析是尋找模型的最大應力點和位移的變化程度。此次分析是應用ANSYS軟件對FRP船艙段T型節點進行受力分析并查看其所受的最大應力和最大位移，并與已知的材料許用應力進行對比，檢查此工件是否失效。

關鍵詞：有限元分析；ANSYS；應力；位移

0 緒論

復合材料由纖維和基體組成，其結構分析包括層合板結構和夾芯結構分析[1]。與一般各向同性材料相比，復合材料的建模過程要復雜些，復合材料各層為正交各向異性材料，材料的性能與復合材料的鋪層有關， 因而在開始復合材料分析之前，必須了解相關的單元類型和怎樣取單元類型、實常數設置、實體建模、網格的劃分和施加載荷等相關知識進行初步的了解[3-6]。

1 建立模型

根據二維圖紙對T型節點進行建模，其中在建模期間要對構件進行分層處理，根據要求，底層是43層，中間的是13層連接構件時3層，完成建模。

2 網格劃分及加載

網格劃分可以有多種方式，可以根據不同的模型劃分網格，網格劃分之前需要先定義單元類型、材料屬性的定義、實常數設置等操作[4]。

由于邊界條件和載荷需要加載到單元節點上，因而需要先選中目標節點。然后選擇所要約束的面，在此分析中需要約束底面和底座的側面，保證它們在工作的時候是固定的。同時我們要對構件進行合適的網格劃分，以保證有限元分析的精確度，在合理的范圍之內。

3 施加載荷

在Z=290平面上的一點，施加縱向10KN的力，施加壓力后的效果見圖1所示，紅色的方向線表示施加的是集中載荷。載荷施加后，同時要設置工作的溫度等外部環境參數。

載荷施加完畢后，我們下一步要進行求解過程，查看構件在兩個方向上的應力和位移分布。應力查看：執行【Main Menu】→【General Postproc】→【Plot Results】→【Contour Plot】→【Nodal Solu】，出現Contour Nodal Solution Data對話框，在Item to be contoured列表框中選擇【Nodal Solution】→【Stress】→【von Mises stress】，單擊OK，展示的是施加縱向的等效應力等值線云圖。

4 復合材料的強度校核

針對復合材料的校核法則，我們要查看構件的每一層的受力情況，根據ANSYS軟件我們可以查看每一層的受力。

復合材料的強度理論主要有最大應力理論、最大應變理論、蔡-希爾（Tsai-Hill）理論和霍夫曼理論等。因為在本仿真實驗中主要是對模型進行橫向的拉伸強度Yt進行校核，因此在此模擬仿真中采用蔡-韓（S.W.Tsai和H.T.Hahn）所提出的經驗方法，引入ηy = （0<ηy≤1），所以可以說明在復合材料中基體的平均應力一般低于纖維的平均應力。

因此，根據復合材料的強度校核法則得出：；其中 cf表示纖維在模型中的相對體積含量， cm表示基體在模型中的相對體積含量。

由已知基體樹脂拉伸強度 σm2=56.5MPa， cf=0.5，纖維90度拉伸強度σf2 =380.6MPa，根據公式得：橫向拉伸強度Yt =218.55MPa大于模型施加10KN載荷之后所受的最大拉應力46.121MPa。

綜上所述，施加橫向載荷的T型節點不會發生失效。

參考文獻：

[1]沈觀林，胡更開.復合材料力學，清華大學出版社，2006.

[2]張志民.復合材料結構力學，北京航空航天大學出版社，1993.

[3]劉偉，高維成，于廣濱.ANSYS12.0寶典，北京：電子工業出版社，2010.

[4]王金龍，王清明，王偉章.ANSYS12.0有限元分析與范例解析，機械工業出版社，2010.

作者簡介：趙文龍（1990-），男，山東日照人，碩士，研究方向： 復合材料成型。endprint