ANSYS軟件在復合材料專業技能競賽中的應用

陸紅霞　韓燕

【摘 要】ANSYS軟件作為一種功能強大的有限元分析軟件，能夠根據要求采用“目標函數優化設計”或“拓撲優化設計”方法，快速準確地對復合材料結構設計進行優化，對應力的傳遞過程進行計算機模擬。ANSYS軟件應用于復合材料專業技能競賽，能夠幫助學生解決結構的優化問題，同時提高學生的專業技能與創新能力，培養學生的學習興趣。

【關鍵詞】ANSYS；復合材料；技能競賽；應用

0 前言

由中航工業基礎技術研究院，中國航空學會，SAMPE北京分會，SAMPE上海分會共同主辦，美國波音公司，中航復合材料有限責任公司贊助支持的超輕復合材料制造學生競賽已成功舉辦了七屆，大賽旨在普及先進復合材料結構設計知識，提升大家分析、優化以及動手制作復合材料構件的能力。

復合材料是有兩種或兩種以上不同性能的組分材料通過復合工藝組合而成的一種多相材料，具有比強度高、比模量高、各向異性、材料和結構的可設計性和良好的加工工藝性等特點，現已廣泛應用于航空、造船、汽車、建筑、化工、體育等部門。

與傳統材料相比，復合材料的可設計性主要體現在結構的設計和材料的設計，復合材料結構的多層次性為復合材料及其結構設計帶來了極大的靈活性，復合材料的力學性能和機械性能，都可按照結構的使用要求和環境條件要求，通過組分材料的選擇匹配、鋪層設計及界面控制等材料設計手段，最大限度的達到預期目的，以滿足工程設備的使用性能，因此，在工程實踐中對復合材料結構進行優化設計有很重要的現實意義。

通常，復合材料結構的受力及應力應變情況非常復雜，并要考慮各種應力應變的耦合和相互影響。而傳統復合材料的設計主要采用等代設計（等剛度、等強度）、準網絡設計等方法，依據積累的經驗、歸納的實驗規律和總結的科學原理，通過合理組份的選擇，制備出預先確定性能的復合材料[1]。設計過程中涉及復雜的高階偏微分方程等數學運算和塑（彈）性理論，且只有少數簡單結構才能得出準確的結論。

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現在已成為目前應用最廣的有限元分析軟件之一。

ANSYS有限元分析軟件能夠對復合材料結構進行優化、性能進行分析、對應力的傳遞和承載受力破壞過程進行計算機模擬，可以獲得難以用傳統設計獲得的一系列數據，且可以通過適當的驗證方法來對模型進行檢驗[2]。ANSYS軟件的使用，使材料在未生產之前，就可以預測出其力學性能，因此，可以節約實驗成本，縮短試驗周期。使復合材料應力分析變得更為簡單、方便，對開發新的材料提供了一條方便快捷的途徑，由于有限元數值模擬技術具有試驗方法和理論解析無以倫比的優勢，現已成為復合材料研究結構行為的重要方法。

1 競賽實例

橋梁所有結構如圖1所示，所用材料由組委會統一發放。橋梁的最小尺寸為長600mm，寬100mm。橋梁路面寬度90mm而且路面一定要是平的，連續且不透明，必須能夠承受一輛90mm寬、100mm長和 75mm高，重量為5kg的“小車”連續運動。必須保證小車從橋的一頭運動到另一頭不能損壞橋梁的橋面。橋梁是可以有拱的，但是橋面上“拱”的垂直高度變化不能超過50mm。整個橋梁凈高度不能超過230mm。為了保證配合測試端柱，任一結構的寬度不能超過150mm。橋梁的中間必須無障礙，以便測試儀器桿和“小車”可以定位施載。注意：對支撐點以下的結構不作要求。橋梁跨距的中點或者四分點處不允許設置支撐柱。

碳纖維橋梁組競賽規則是：橋梁載荷在滿足8kN的前提下，按照重量的增加排列名次，即重量越輕的作品獲勝。天然纖維橋梁組競賽規則是：作品按照載荷/重量比值排名，即載荷/重量的比值最大者獲勝，橋梁最大重量為750克。

傳統的復合材料結構設計復雜，計算量大，需要耗費大量的人力與物力，且很難得到精確而系統的結果。ANSYS有限元分析軟件以其強大的優化設計功能應用于超輕復合材料橋梁的結構設計，為制備超輕復合材料橋梁競賽提供有一條非常有效的途徑。

ANSYS有限元分析軟件強大的優化設計主要體現在“目標函數最優設計”和“拓撲優化設計”。

“目標函數最優設計”是指狀態變量（設計變量的函數，因變量）在滿足一定條件時，通過改變設計變量（自變量）的數值，使目標函數（因設計變量的改變而有所改變）的值最小。也就是說，在滿足所有設計要求的前提下，所需的方案最小（如質量、面積、體積、應力、費用等），即目標函數值最小[3]。如第六屆超輕復合材料橋梁競賽中碳纖維橋梁組競賽規則要求橋梁載荷滿足載荷為8kN的前提下，按照質量的增加排列名次，質量越輕的作品獲勝。因此，采用目標函數最優設計方案進行設計，在橋梁載荷（狀態變量）滿足8KN的條件下，使目標函數（質量）最小。

“拓撲優化”是指形狀優化。用戶只需給出結構的參數（材料特性、模型、載荷等），即可通過優化計算得到結構的最佳形狀設計。拓撲優化的目標是在滿足結構約束的情況下減少結構的變形能，從而提高結構的剛度，所以在優化中表現為即載荷“最大剛度”設計。如天然纖維橋梁組競賽規則是：作品按照載荷/重量比值排名，載荷/重量的比值最大者獲勝。可以采用拓撲優化設計，根據材料特性、模型、載荷等參數對橋梁形狀進行優化。

2 結束語

ANSYS優化設計在復合材料結構設計中發揮著相當重大的作用。用ANSYS軟件對復合材料進行結構優化設計是目前一種較理想的設計方法。通過采用ANSYS軟件對復合材料進行結構優化設計可提高制品的設計效率，減小設計周期，可預測最佳制品設計方案，使制品材料用量降至最佳點，降低設計和生產成本。將ANSYS軟件引入復合材料專業技能競賽，能夠幫助學生解決結構的優化問題，同時也提高了學生的專業技能與創新能力，培養了學生的學習興趣。

【參考文獻】

[1]李順林，王興業.復合材料結構設計基礎[M].湖北：武漢工業大學出版社， 1993.

[2]廖英強，蘇建河，柯善良.ANSYS在復合材料仿真分析中的應用[J].纖維復合材料，2006（1）：63～66.

[3]覃海藝，鄧京蘭.ANSYS在復合材料結構優化設計中的應用[J].《玻璃鋼學會第十六屆玻璃鋼/復合材料學術年會論文集》，2006：49～53.

[責任編輯：王楠]