FRP船舱段T型节点有限元分析

赵文龙++郭明恩++孙帅

摘 要：本文的有限元分析是寻找模型的最大应力点和位移的变化程度。此次分析是应用ANSYS软件对FRP船舱段T型节点进行受力分析并查看其所受的最大应力和最大位移，并与已知的材料许用应力进行对比，检查此工件是否失效。

关键词：有限元分析；ANSYS；应力；位移

0 绪论

复合材料由纤维和基体组成，其结构分析包括层合板结构和夹芯结构分析[1]。与一般各向同性材料相比，复合材料的建模过程要复杂些，复合材料各层为正交各向异性材料，材料的性能与复合材料的铺层有关， 因而在开始复合材料分析之前，必须了解相关的单元类型和怎样取单元类型、实常数设置、实体建模、网格的划分和施加载荷等相关知识进行初步的了解[3-6]。

1 建立模型

根据二维图纸对T型节点进行建模，其中在建模期间要对构件进行分层处理，根据要求，底层是43层，中间的是13层连接构件时3层，完成建模。

2 网格划分及加载

网格划分可以有多种方式，可以根据不同的模型划分网格，网格划分之前需要先定义单元类型、材料属性的定义、实常数设置等操作[4]。

由于边界条件和载荷需要加载到单元节点上，因而需要先选中目标节点。然后选择所要约束的面，在此分析中需要约束底面和底座的侧面，保证它们在工作的时候是固定的。同时我们要对构件进行合适的网格划分，以保证有限元分析的精确度，在合理的范围之内。

3 施加载荷

在Z=290平面上的一点，施加纵向10KN的力，施加压力后的效果见图1所示，红色的方向线表示施加的是集中载荷。载荷施加后，同时要设置工作的温度等外部环境参数。

载荷施加完毕后，我们下一步要进行求解过程，查看构件在两个方向上的应力和位移分布。应力查看：执行【Main Menu】→【General Postproc】→【Plot Results】→【Contour Plot】→【Nodal Solu】，出现Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured列表框中选择【Nodal Solution】→【Stress】→【von Mises stress】，单击OK，展示的是施加纵向的等效应力等值线云图。

4 复合材料的强度校核

针对复合材料的校核法则，我们要查看构件的每一层的受力情况，根据ANSYS软件我们可以查看每一层的受力。

复合材料的强度理论主要有最大应力理论、最大应变理论、蔡-希尔（Tsai-Hill）理论和霍夫曼理论等。因为在本仿真实验中主要是对模型进行横向的拉伸强度Yt进行校核，因此在此模拟仿真中采用蔡-韩（S.W.Tsai和H.T.Hahn）所提出的经验方法，引入ηy = （0<ηy≤1），所以可以说明在复合材料中基体的平均应力一般低于纤维的平均应力。

因此，根据复合材料的强度校核法则得出：；其中 cf表示纤维在模型中的相对体积含量， cm表示基体在模型中的相对体积含量。

由已知基体树脂拉伸强度 σm2=56.5MPa， cf=0.5，纤维90度拉伸强度σf2 =380.6MPa，根据公式得：横向拉伸强度Yt =218.55MPa大于模型施加10KN载荷之后所受的最大拉应力46.121MPa。

综上所述，施加横向载荷的T型节点不会发生失效。

参考文献：

[1]沈观林，胡更开.复合材料力学，清华大学出版社，2006.

[2]张志民.复合材料结构力学，北京航空航天大学出版社，1993.

[3]刘伟，高维成，于广滨.ANSYS12.0宝典，北京：电子工业出版社，2010.

[4]王金龙，王清明，王伟章.ANSYS12.0有限元分析与范例解析，机械工业出版社，2010.

作者简介：赵文龙（1990-），男，山东日照人，硕士，研究方向： 复合材料成型。endprint