基于ANSYS有限元的復合材料傳動軸失效分析

王凱 葉年江

摘 要：該文運用有限元分析軟件ANSYS，對復合材料數(shù)值建模技術做以通用介紹。通過對某小型飛機復合材料傳動軸結構進行有限元數(shù)值建模，利用ANSYS靜力學法對該傳動軸的受力過程進行數(shù)值模擬分析，并運用后處理技術對數(shù)值分析結果進行圖形描述?；趯υ搨鲃虞S的位移、應力及應變失效分析，為該復合材料傳動軸結構的改進及日常維護提供依據(jù)。該文的分析方法對其他復合材料結構的失效分析具有較為廣泛的適用性。

關鍵詞：復合材料 傳動軸 有限元建模 失效分析

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（b）-0058-04

Abstract：Finite element analysis software ANSYS is used to introduce the numerical simulation technology for composite propeller shaft. By the finite element modeling for composite shaft of a certain type aircraft， the method of ANSYS static analysis is then used to carry out numerical of the shaft. And then use postprocessor of ANSYS to describe the results of the numerical analysis in graphics. Based on the displacement， stress and strain failure analysis of the shaft， evidence is provided for improvement and maintenance of composite shaft. The analysis method adopted in this paper has wide applicability to analyze failure analysis for other composite material structures.

Key Words：Composite material； Propeller shaft； Finite element model； Failure analysis

碳纖維復合材料由于較高的比強度和比模量以及較小的密度，在航空航天領域已經(jīng)得到了廣泛應用，可以利用碳纖維復合材料這種可變的性能參數(shù)來滿足不同的使用性能要求。傳動軸是復合材料的一個重要應用方面，目前在航天飛機、高性能汽車以及特殊用途的機械中得到了廣泛應用。復合材料的抗拉和抗壓性能較好，而復合材料結構設計標準的不足或日常維護不當常常成為制約復合材料有效應用的重要因素。因此，對復合材料結構進行有限元數(shù)值并基于此的失效分析研究具有較大的工程應用價值。

基于復合材料基礎應用理論，該文針對某小型飛機碳纖維復合材料傳動軸的幾何尺寸及受力特性，通過合理簡化結構模型、運用剛體約束技術和適當施加邊界條件及載荷，通過ANSYS軟件對該復合材料傳動軸進行直接建模并分析了該傳動軸在設定扭矩下的特性，獲得該復合材料傳動軸的位移、應力云圖，并對該傳動軸的應力失效和應變失效進行分析。

1 復合材料傳動軸有限元模型的建立

該型飛機復合材料傳動軸結構，是由玻璃纖維或環(huán)氧樹脂基體制成的碳布組成的。環(huán)氧樹脂基體可以保護纖維，并轉移分布在纖維上的載荷。每層材料都由不同的正交各向異性材料構成，并且其主方向也各不相同。對于疊層復合材料，纖維的方向即決定了層的主方向。對于該傳動軸結構來說，共由10個鋪層組成，從第一層到第十層的鋪角分別為-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°。該軸所受扭矩為2 000 N·m，其材料常數(shù)如表1所述。

1.1 復合材料有限元建模通用技術

1.1.1 復合材料類型的選取

通常情況下，用于建立復合材料模型的單元類型有SHELL181、SHELL281、SOLSH190、SOLID185和SOLID186五種單元，實際工程應用中應根據(jù)具體應用和所需計算結果類型等來確定，所有的層單元允許失效準則計算。

SHELL181是一種4節(jié)點三維殼單元，每個節(jié)點有6個自由度，該單元具備完全非線性分析能力，主要適用于薄到中等厚度的板和殼結構，一般要求寬厚比應大于10。該單元允許有多達250層的等厚材料層，或者125層厚度在單元面內呈現(xiàn)雙線性變化的不等厚材料層。

SHELL281是一種8節(jié)點三維實體殼單元，每個節(jié)點有6個自由度。該單元適用于薄到中等厚度的板和殼結構且支持線性、大轉動或是大應變的非線性分析；SOLISH190是8節(jié)點三維殼單元，每個節(jié)點有3個自由度。該單元適用于薄到中等厚度的板和殼結構且支持所有的非線性功能（包括大應變），允許有多達250層材料層；SOLID185是8節(jié)點三維實體單元SOLID45的一種疊層形式，其每個節(jié)點有3個自由度（UX，UY，UZ），該單元支持塑性、超彈性、應力剛化、蠕變、大變形和大應變功能，可以模擬幾乎不能壓縮的彈塑性材料，也可以模擬完全不能壓縮的超彈性材料；SOLID186是一個高階三維20節(jié)點固體結構單元，具有一次位移模式可以更好地模擬不規(guī)則的網(wǎng)例。該單元可以具有任意的空間各向異性，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力剛化、大變形和大應變能力，還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。

1.1.2 確定材料的疊層結構

復合材料最重要的特征就是其疊層結構。對于疊層復合材料，纖維的方向決定了層的主方向。通常殼由下到上逐層定義材料層的配置。底層為第一層，后續(xù)的層沿單元坐標系的Z軸方向自底向上疊加。對于每一層材料，由單元實常數(shù)表（R，RMORE，RMODIF）定義材料性質（MAT、層定向角（THETA）、層的厚度（TK）、每層積分點的數(shù)目（NUMPT）。

而對于夾層結構和多層結構而言，夾層結構有兩個薄的面板和一個厚度相對軟的夾心層。在實際建模中，假定夾心層承受了所有的橫向剪切載荷，而面板則承受了幾乎所有的彎曲載荷。夾層結構可用SHELL181或SHELL281單元建立有限元模型，該兩種單元通過能量等效方法模擬橫向剪切偏轉。

1.1.3 通用的建模和后處理技術

對于耦合效應來說，復合材料會體現(xiàn)出幾種類型的耦合效應，諸如彎扭耦合、拉彎耦合等，這是由具有不同性質的多層材料互相重疊引起的。其結果是，如果材料層的積疊順序是非對稱的，則即使模型的幾何形狀和載荷都是對稱的，也不能按照對稱條件只求解一部分模型，因為結構的唯一和應力可能不對稱。

對于獲取準確的層間剪應力，若獲取模型自由邊界上層間剪切應力的精確值，則模型邊界上的單元尺寸應約等于總的疊層厚度。殼單元的層間橫向剪切應力的計算基于單元上下表面不承受應力的假設，這些層間剪切應力只在單元的中心處計算?；诖耍诙鄶?shù)工程實踐建模中，多采用殼-實體子模型精確計算自由邊的層間應力。

對于輸入數(shù)據(jù)的驗證，因復合材料的求解需要大量的輸入數(shù)據(jù)，故在進行求解之前應對輸入數(shù)據(jù)進行驗證，用以列表顯示所有被選單元的節(jié)點和屬性、圖形顯示所有被選單元及所選全部單元的某一指定層。

1.2 復合材料傳動軸有限元模型的建立

基于上述復合材料建模技術分析及該型飛機復合材料結構特性，采用自底向上建模并逐層定義材料性質的方式，建立該傳動軸有限元模型。該復合材料傳動軸選用SHELL181單元，各鋪層參數(shù)按45°/-45°層疊鋪層進行設置。該復合材料各鋪層參數(shù)設置如圖1所示。

根據(jù)該傳動軸設計要求，該傳動軸繞其軸線作旋轉運動并承受扭矩作用。在限制該軸底端全部自由度的同時，為便于模擬該傳動軸的扭矩作用，在接觸管理器（Contact Manager）進行參數(shù)設置時，將其接觸單元類型設置為Node-to-surface，將其接觸表面類型設置為Rigid constraint，并將其除ROTZ外的自由度全部耦合，以形成剛性耦合的方式，模擬該傳動軸扭矩輸入。最終建立的有限元模型如圖2所示。

2 有限元模型數(shù)值計算及分析

利用ANSYS的靜力學分析法對該復合材料傳動軸受力過程進行力學分析，并運用后處理技術對數(shù)值結果進行處理，得到該復合材料傳動軸在特定扭矩作用下的位移、等效應力、最大應力失效及最大應變失效云圖。分別如圖3～6所示。

3 結語

該文介紹了一種在ANSYS軟件中對復合材料結構采用APDL參數(shù)化自底向上直接建模的方法，并利用靜力學分析模塊，對該復合材料傳動軸在特定扭矩作用下進行數(shù)值模擬分析，獲取該復合材料傳動軸結構的位移、應力云圖。為提高該傳動軸設計要求提供了有效依據(jù)。

參考文獻

[1]張洪才，何波.ANSYS機械工程應用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[2]刑靜忠.ANSYS應用實例與分析[M].北京：科學出版社，2012.

[3]黃家康.復合材料成型技術及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[4]王耀先.復合材料力學與結構設計[M].上海：華東理工大學出版社，2012.

[5]李軍向.復合材料層合板失效分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[6]程小全，張紀奎.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.