陸紅霞　韓燕

【摘 要】ANSYS軟件作為一種功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，能夠根據(jù)要求采用“目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)”或“拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)”方法，快速準(zhǔn)確地對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)應(yīng)力的傳遞過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。ANSYS軟件應(yīng)用于復(fù)合材料專業(yè)技能競賽，能夠幫助學(xué)生解決結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題，同時(shí)提高學(xué)生的專業(yè)技能與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】ANSYS；復(fù)合材料；技能競賽；應(yīng)用

0 前言

由中航工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)研究院，中國航空學(xué)會(huì)，SAMPE北京分會(huì)，SAMPE上海分會(huì)共同主辦，美國波音公司，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司贊助支持的超輕復(fù)合材料制造學(xué)生競賽已成功舉辦了七屆，大賽旨在普及先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，提升大家分析、優(yōu)化以及動(dòng)手制作復(fù)合材料構(gòu)件的能力。

復(fù)合材料是有兩種或兩種以上不同性能的組分材料通過復(fù)合工藝組合而成的一種多相材料，具有比強(qiáng)度高、比模量高、各向異性、材料和結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性和良好的加工工藝性等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、造船、汽車、建筑、化工、體育等部門。

與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的設(shè)計(jì)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多層次性為復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性，復(fù)合材料的力學(xué)性能和機(jī)械性能，都可按照結(jié)構(gòu)的使用要求和環(huán)境條件要求，通過組分材料的選擇匹配、鋪層設(shè)計(jì)及界面控制等材料設(shè)計(jì)手段，最大限度的達(dá)到預(yù)期目的，以滿足工程設(shè)備的使用性能，因此，在工程實(shí)踐中對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通常，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的受力及應(yīng)力應(yīng)變情況非常復(fù)雜，并要考慮各種應(yīng)力應(yīng)變的耦合和相互影響。而傳統(tǒng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)主要采用等代設(shè)計(jì)（等剛度、等強(qiáng)度）、準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等方法，依據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)、歸納的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和總結(jié)的科學(xué)原理，通過合理組份的選擇，制備出預(yù)先確定性能的復(fù)合材料[1]。設(shè)計(jì)過程中涉及復(fù)雜的高階偏微分方程等數(shù)學(xué)運(yùn)算和塑（彈）性理論，且只有少數(shù)簡單結(jié)構(gòu)才能得出準(zhǔn)確的結(jié)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(jié)構(gòu)、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(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS功能強(qiáng)大，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為目前應(yīng)用最廣的有限元分析軟件之一。

ANSYS有限元分析軟件能夠?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、性能進(jìn)行分析、對(duì)應(yīng)力的傳遞和承載受力破壞過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，可以獲得難以用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得的一系列數(shù)據(jù)，且可以通過適當(dāng)?shù)尿?yàn)證方法來對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)[2]。ANSYS軟件的使用，使材料在未生產(chǎn)之前，就可以預(yù)測出其力學(xué)性能，因此，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，縮短試驗(yàn)周期。使復(fù)合材料應(yīng)力分析變得更為簡單、方便，對(duì)開發(fā)新的材料提供了一條方便快捷的途徑，由于有限元數(shù)值模擬技術(shù)具有試驗(yàn)方法和理論解析無以倫比的優(yōu)勢，現(xiàn)已成為復(fù)合材料研究結(jié)構(gòu)行為的重要方法。

1 競賽實(shí)例

橋梁所有結(jié)構(gòu)如圖1所示，所用材料由組委會(huì)統(tǒng)一發(fā)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(xù)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(xù)運(yùn)動(dòng)。必須保證小車從橋的一頭運(yùn)動(dòng)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(gè)橋梁凈高度不能超過230mm。為了保證配合測試端柱，任一結(jié)構(gòu)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(duì)支撐點(diǎn)以下的結(jié)構(gòu)不作要求。橋梁跨距的中點(diǎn)或者四分點(diǎn)處不允許設(shè)置支撐柱。

碳纖維橋梁組競賽規(guī)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(guī)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(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，計(jì)算量大，需要耗費(fèi)大量的人力與物力，且很難得到精確而系統(tǒng)的結(jié)果。ANSYS有限元分析軟件以其強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能應(yīng)用于超輕復(fù)合材料橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為制備超輕復(fù)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(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在“目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)”和“拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)”。

“目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)”是指狀態(tài)變量（設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，因變量）在滿足一定條件時(shí)，通過改變?cè)O(shè)計(jì)變量（自變量）的數(shù)值，使目標(biāo)函數(shù)（因設(shè)計(jì)變量的改變而有所改變）的值最小。也就是說，在滿足所有設(shè)計(jì)要求的前提下，所需的方案最?。ㄈ缳|(zhì)量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等），即目標(biāo)函數(shù)值最小[3]。如第六屆超輕復(fù)合材料橋梁競賽中碳纖維橋梁組競賽規(guī)則要求橋梁載荷滿足載荷為8kN的前提下，按照質(zhì)量的增加排列名次，質(zhì)量越輕的作品獲勝。因此，采用目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，在橋梁載荷（狀態(tài)變量）滿足8KN的條件下，使目標(biāo)函數(shù)（質(zhì)量）最小。

“拓?fù)鋬?yōu)化”是指形狀優(yōu)化。用戶只需給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（材料特性、模型、載荷等），即可通過優(yōu)化計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的最佳形狀設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)約束的情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能，從而提高結(jié)構(gòu)的剛度，所以在優(yōu)化中表現(xiàn)為即載荷“最大剛度”設(shè)計(jì)。如天然纖維橋梁組競賽規(guī)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?？梢圆捎猛?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)材料特性、模型、載荷等參數(shù)對(duì)橋梁形狀進(jìn)行優(yōu)化。

2 結(jié)束語

ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著相當(dāng)重大的作用。用ANSYS軟件對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是目前一種較理想的設(shè)計(jì)方法。通過采用ANSYS軟件對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高制品的設(shè)計(jì)效率，減小設(shè)計(jì)周期，可預(yù)測最佳制品設(shè)計(jì)方案，使制品材料用量降至最佳點(diǎn)，降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。將ANSYS軟件引入復(fù)合材料專業(yè)技能競賽，能夠幫助學(xué)生解決結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題，同時(shí)也提高了學(xué)生的專業(yè)技能與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李順林，王興業(yè).復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].湖北：武漢工業(yè)大學(xué)出版社， 1993.

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

[3]覃海藝，鄧京蘭.ANSYS在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].《玻璃鋼學(xué)會(huì)第十六屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集》，2006：49～53.

[責(zé)任編輯：王楠]