FRP船艙段T型節(jié)點(diǎn)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(yīng)力點(diǎn)和位移的變化程度。此次分析是應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)FRP船艙段T型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析并查看其所受的最大應(yīng)力和最大位移，并與已知的材料許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，檢查此工件是否失效。

關(guān)鍵詞：有限元分析；ANSYS；應(yīng)力；位移

0 緒論

復(fù)合材料由纖維和基體組成，其結(jié)構(gòu)分析包括層合板結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)分析[1]。與一般各向同性材料相比，復(fù)合材料的建模過(guò)程要復(fù)雜些，復(fù)合材料各層為正交各向異性材料，材料的性能與復(fù)合材料的鋪層有關(guān)， 因而在開(kāi)始復(fù)合材料分析之前，必須了解相關(guān)的單元類型和怎樣取單元類型、實(shí)常數(shù)設(shè)置、實(shí)體建模、網(wǎng)格的劃分和施加載荷等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行初步的了解[3-6]。

1 建立模型

根據(jù)二維圖紙對(duì)T型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，其中在建模期間要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分層處理，根據(jù)要求，底層是43層，中間的是13層連接構(gòu)件時(shí)3層，完成建模。

2 網(wǎng)格劃分及加載

網(wǎng)格劃分可以有多種方式，可以根據(jù)不同的模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分之前需要先定義單元類型、材料屬性的定義、實(shí)常數(shù)設(shè)置等操作[4]。

由于邊界條件和載荷需要加載到單元節(jié)點(diǎn)上，因而需要先選中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。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(cè)面，保證它們?cè)诠ぷ鞯臅r(shí)候是固定的。同時(shí)我們要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行合適的網(wǎng)格劃分，以保證有限元分析的精確度，在合理的范圍之內(nèi)。

3 施加載荷

在Z=290平面上的一點(diǎn)，施加縱向10KN的力，施加壓力后的效果見(jiàn)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(shí)要設(shè)置工作的溫度等外部環(huán)境參數(shù)。

載荷施加完畢后，我們下一步要進(jìn)行求解過(guò)程，查看構(gòu)件在兩個(gè)方向上的應(yīng)力和位移分布。應(yīng)力查看：執(zhí)行【Main Menu】→【General Postproc】→【Plot Results】→【Contour Plot】→【Nodal Solu】，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對(duì)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(yīng)力等值線云圖。

4 復(fù)合材料的強(qiáng)度校核

針對(duì)復(fù)合材料的校核法則，我們要查看構(gòu)件的每一層的受力情況，根據(jù)ANSYS軟件我們可以查看每一層的受力。

復(fù)合材料的強(qiáng)度理論主要有最大應(yīng)力理論、最大應(yīng)變理論、蔡-希爾（Tsai-Hill）理論和霍夫曼理論等。因?yàn)樵诒痉抡鎸?shí)驗(yàn)中主要是對(duì)模型進(jìn)行橫向的拉伸強(qiáng)度Yt進(jìn)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(jīng)驗(yàn)方法，引入ηy = （0<ηy≤1），所以可以說(shuō)明在復(fù)合材料中基體的平均應(yīng)力一般低于纖維的平均應(yīng)力。

因此，根據(jù)復(fù)合材料的強(qiáng)度校核法則得出：；其中 cf表示纖維在模型中的相對(duì)體積含量， cm表示基體在模型中的相對(duì)體積含量。

由已知基體樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度 σm2=56.5MPa， cf=0.5，纖維90度拉伸強(qiáng)度σf2 =380.6MPa，根據(jù)公式得：橫向拉伸強(qiáng)度Yt =218.55MPa大于模型施加10KN載荷之后所受的最大拉應(yīng)力46.121MPa。

綜上所述，施加橫向載荷的T型節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生失效。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈觀林，胡更開(kāi).復(fù)合材料力學(xué)，清華大學(xué)出版社，2006.

[2]張志民.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)，北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

[3]劉偉，高維成，于廣濱.ANSYS12.0寶典，北京：電子工業(yè)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(jī)械工業(yè)出版社，2010.

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