ANSYS软件在复合材料专业技能竞赛中的应用

陆红霞　韩燕

【摘 要】ANSYS软件作为一种功能强大的有限元分析软件，能够根据要求采用“目标函数优化设计”或“拓扑优化设计”方法，快速准确地对复合材料结构设计进行优化，对应力的传递过程进行计算机模拟。ANSYS软件应用于复合材料专业技能竞赛，能够帮助学生解决结构的优化问题，同时提高学生的专业技能与创新能力，培养学生的学习兴趣。

【关键词】ANSYS；复合材料；技能竞赛；应用

0 前言

由中航工业基础技术研究院，中国航空学会，SAMPE北京分会，SAMPE上海分会共同主办，美国波音公司，中航复合材料有限责任公司赞助支持的超轻复合材料制造学生竞赛已成功举办了七届，大赛旨在普及先进复合材料结构设计知识，提升大家分析、优化以及动手制作复合材料构件的能力。

复合材料是有两种或两种以上不同性能的组分材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，具有比强度高、比模量高、各向异性、材料和结构的可设计性和良好的加工工艺性等特点，现已广泛应用于航空、造船、汽车、建筑、化工、体育等部门。

与传统材料相比，复合材料的可设计性主要体现在结构的设计和材料的设计，复合材料结构的多层次性为复合材料及其结构设计带来了极大的灵活性，复合材料的力学性能和机械性能，都可按照结构的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择匹配、铺层设计及界面控制等材料设计手段，最大限度的达到预期目的，以满足工程设备的使用性能，因此，在工程实践中对复合材料结构进行优化设计有很重要的现实意义。

通常，复合材料结构的受力及应力应变情况非常复杂，并要考虑各种应力应变的耦合和相互影响。而传统复合材料的设计主要采用等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等方法，依据积累的经验、归纳的实验规律和总结的科学原理，通过合理组份的选择，制备出预先确定性能的复合材料[1]。设计过程中涉及复杂的高阶偏微分方程等数学运算和塑（弹）性理论，且只有少数简单结构才能得出准确的结论。

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为目前应用最广的有限元分析软件之一。

ANSYS有限元分析软件能够对复合材料结构进行优化、性能进行分析、对应力的传递和承载受力破坏过程进行计算机模拟，可以获得难以用传统设计获得的一系列数据，且可以通过适当的验证方法来对模型进行检验[2]。ANSYS软件的使用，使材料在未生产之前，就可以预测出其力学性能，因此，可以节约实验成本，缩短试验周期。使复合材料应力分析变得更为简单、方便，对开发新的材料提供了一条方便快捷的途径，由于有限元数值模拟技术具有试验方法和理论解析无以伦比的优势，现已成为复合材料研究结构行为的重要方法。

1 竞赛实例

桥梁所有结构如图1所示，所用材料由组委会统一发放。桥梁的最小尺寸为长600mm，宽100mm。桥梁路面宽度90mm而且路面一定要是平的，连续且不透明，必须能够承受一辆90mm宽、100mm长和 75mm高，重量为5kg的“小车”连续运动。必须保证小车从桥的一头运动到另一头不能损坏桥梁的桥面。桥梁是可以有拱的，但是桥面上“拱”的垂直高度变化不能超过50mm。整个桥梁净高度不能超过230mm。为了保证配合测试端柱，任一结构的宽度不能超过150mm。桥梁的中间必须无障碍，以便测试仪器杆和“小车”可以定位施载。注意：对支撑点以下的结构不作要求。桥梁跨距的中点或者四分点处不允许设置支撑柱。

碳纤维桥梁组竞赛规则是：桥梁载荷在满足8kN的前提下，按照重量的增加排列名次，即重量越轻的作品获胜。天然纤维桥梁组竞赛规则是：作品按照载荷/重量比值排名，即载荷/重量的比值最大者获胜，桥梁最大重量为750克。

传统的复合材料结构设计复杂，计算量大，需要耗费大量的人力与物力，且很难得到精确而系统的结果。ANSYS有限元分析软件以其强大的优化设计功能应用于超轻复合材料桥梁的结构设计，为制备超轻复合材料桥梁竞赛提供有一条非常有效的途径。

ANSYS有限元分析软件强大的优化设计主要体现在“目标函数最优设计”和“拓扑优化设计”。

“目标函数最优设计”是指状态变量（设计变量的函数，因变量）在满足一定条件时，通过改变设计变量（自变量）的数值，使目标函数（因设计变量的改变而有所改变）的值最小。也就是说，在满足所有设计要求的前提下，所需的方案最小（如质量、面积、体积、应力、费用等），即目标函数值最小[3]。如第六届超轻复合材料桥梁竞赛中碳纤维桥梁组竞赛规则要求桥梁载荷满足载荷为8kN的前提下，按照质量的增加排列名次，质量越轻的作品获胜。因此，采用目标函数最优设计方案进行设计，在桥梁载荷（状态变量）满足8KN的条件下，使目标函数（质量）最小。

“拓扑优化”是指形状优化。用户只需给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等），即可通过优化计算得到结构的最佳形状设计。拓扑优化的目标是在满足结构约束的情况下减少结构的变形能，从而提高结构的刚度，所以在优化中表现为即载荷“最大刚度”设计。如天然纤维桥梁组竞赛规则是：作品按照载荷/重量比值排名，载荷/重量的比值最大者获胜。可以采用拓扑优化设计，根据材料特性、模型、载荷等参数对桥梁形状进行优化。

2 结束语

ANSYS优化设计在复合材料结构设计中发挥着相当重大的作用。用ANSYS软件对复合材料进行结构优化设计是目前一种较理想的设计方法。通过采用ANSYS软件对复合材料进行结构优化设计可提高制品的设计效率，减小设计周期，可预测最佳制品设计方案，使制品材料用量降至最佳点，降低设计和生产成本。将ANSYS软件引入复合材料专业技能竞赛，能够帮助学生解决结构的优化问题，同时也提高了学生的专业技能与创新能力，培养了学生的学习兴趣。

【参考文献】

[1]李顺林，王兴业.复合材料结构设计基础[M].湖北：武汉工业大学出版社， 1993.

[2]廖英强，苏建河，柯善良.ANSYS在复合材料仿真分析中的应用[J].纤维复合材料，2006（1）：63～66.

[3]覃海艺，邓京兰.ANSYS在复合材料结构优化设计中的应用[J].《玻璃钢学会第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集》，2006：49～53.

[责任编辑：王楠]