复合材料四边简支板模态分析
摘要：本文介绍了复合材料四边简支板的模态分析过程，介绍了ANSYS复合材料结构分析的基本方法、步骤和过程，并介绍了单元类型的选择、建模及后处理等多方面的内容。 关键词：有限元；弹塑性；简支板；模态分析
Modal Analysis of Composite Material Plate with Four
Simply Supported Edges
Abtract: This paper introduces the modal analysis process of composite material plate with four simply supported edges.This paper introduces the basic methods, steps and process of the ANSYS composite structure analysis , and introduces the unit type selection, modeling and post-processing and other aspects of content.
Key Words: Finite element；Elastic plastic；Simply supported plate；Modal analysis
一、前言
如图1所示的四边简支复合材料叠层方板，边长为8m,厚为0.04m,密度为2.16g/cm3。叠层板共8层，铺层为[0/45/-45/90]s,单层厚度为0.005m，各层材料属性和厚度均相同，其中Ex?25?106N/m2 ，Ey?1?10N/m，?xy?0.25，Gxy?Gxz?0.5?10N/m，
6262Gyz?0.2?106N/m2，试对其进行模态分析。
二、 基于图形界面(GUI)的交互式操作(step by step)过程如下
2.1定义工作环境
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图1 四边简支复合材料叠层板示意图 （1）直接启动ANSYS，进入ANSYS Multiphysics Utility Menu界面，利用File菜单下的
Change Diretory、Change Jobname和Change Titile命令分别定义文件工作路径、文件名和文件标题。
2.2定义单元类型和材料属性
（1）选择命令Main Menu→Preferences，在Individual discipline to show in the GUI栏中选中Structural复选框，过滤掉ANSYS GUI菜单中与结构分析无关的选项，单击OK按钮关闭该对话框。
（2）选择Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框，单击Add按钮，弹出Library of Element types 对话框，在Library of Element types列表框中选择Solid→layered46单元，即SOLID46 element type options对话框，如图所示，保持默认设置。单击OK按钮，弹出MoreSOLID46 element type options对话框，如图所示，保持默认设置，单击OK按钮关闭对话框，单击Close按钮关闭Element Types对话框。
（3）选择Main menu→Preprocessor→Material Props→Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框，在Material Models Available栏中依次展开Structrua→Linear →Elastic→orthotropic选项，弹出对话框，设置参数，单击OK按钮关闭该对话框。在Material Models Available 栏中依次展开Structural→Density选项，弹出对话框，进行参数设置，单击OK按钮关闭该对话框。在Define Material Model Behavior 对话框中选择Material→Exit命令，关闭该对话框。
（3）选择Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，弹出Real Constants对话框，单击Add按钮，选择SOLIDE46单元，单击OK按钮，弹出对话框，设置实常数编号。单击OK按钮，弹出对话框，设置铺层数及对称性，Number of layers为8,Layer Symmetry Key为1.单击OK按钮，返回Real Constants 对话框，单击Close 按钮结束实常数设置。
（4）选择ANSYS Toolbar→SAVE_DB命令，保存上述操作。 2.3创建几何模型
（1）选择Main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Block→By Dimensions命令，弹出对话框，设置参数，单击OK按钮关闭该对话框。
（2）选择Utility Menu→PlotCtrls→View Setting→View Direction命令，弹出View Direction对话框，设置参数，单击OK按钮关闭该对话框，此时，ANSYS显示窗口显示如图2所示的生成块的结果。
图2 生成块的结果 图3 网格划分结果 （3）选择ANSYS Toolbar→SAVE_DB命令，保存上述操作。 2.4划分网格
(1)选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh Attributes→Default Attribs命令，弹
2
出Meshing Attributes对话框，采用默认设置，单击OK按钮关闭该对话框。
(2)选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→ManualSize→Global→Size命令，弹出Global Element Sizes对话框，进行参数设置，单击OK按钮关闭该对话框。
(3)选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→ManualSize→Lines→Picked Lines命令，弹出线段拾取对话框，选择块体的4条短边，单击OK按钮，弹出单元尺寸设置对话框，进行参数设置，单击OK按钮关闭该对话框。
(4)选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→Volumes→Mapped→4 to 6 sided命令，弹出Mesh Volumes拾取菜单，用鼠标在ANSYS显示窗口中选择块体，单击OK按钮关闭该对话框，网格划分结果如图3所示。
(5)选择ANSYS Toolbar→SAVE_DB命令，保存上述操作。 2.5加载求解
(1)选择Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis命令,弹出New Analysis对话框，选择分析类型为Modal,单击OK按钮关闭该对话框。
(2)选择Main Menu→Solution→Analysis Type→AnalysisOptions命令,弹出Modal Analysis对话框，进行参数设置。单击OK按钮，弹出Block Lanczos Method对话框，采用默认设置,单击OK按钮关闭该对话框。
(3)选择Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Strutural→Displacement→On Nodes命令，弹出ApplyU,ROT on Nodes拾取菜单，拾取方式选择Box，选择块体X=-4处的所有节点，单击Apply按钮，弹出ApplyU,ROT on Nodes对话框。在Lab2 DOFs to be constrained列表框中选择UY和UZ选项，单击Apply按钮。按照该方法依次定义X=4处的约束为UY=0和UZ=0，Y=-4和Y=4处的约束为UX=0和UZ=0.定义完约束后的结果如图4所示。
(4)选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Out Ctrls→Solu Printout命令，弹出Solution PrintoutControls对话框，保持默认设置，单击OK按钮关闭该对话框。
图4 定义约束后的结果 (5)选择Main Menu→Solution→Solve→Current
LS命令，弹出/STATUS Command 和Solve Current Load Step对话框，单击OK按钮，ANSYS开始求解计算。
(6)求解结束时，弹出Note对话框，单击close按钮关闭该对话框。 (7)选择ANSYS Toolbar→SAVE_DB命令，保存上述操作。 2.6查看求解结果
(1)选择Main Menu→General Postproc→Results summary命令，查看求解结果摘要。 (2)选择Main Menu→General Postproc→Read Results→First Set命令，读入一阶模态求解结果。选择Main Menu→General Postproc→Plot Results→Deformed Shape命令，弹出Plot Deformed Shape对话框，在KUND Item to be plotted 栏中选择Def+under edge 单选按钮，单击OK 按钮，ANSYS显示窗口将显示变形后的几何形状和未变形的轮廓，如图5所示。
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图5 变形后的几何形状与未变形的轮廓 图6 位移场分布等值线图 (3)选择Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu命令，弹出对话框，在Item to be comtoured列表框中依次展开Nodal Solution→DOF Solution→Diaplacement vector sum选项，其余选项采用默认设置，单击OK 按钮，ANSYS显示窗口将显示如图6所示的位移场分布等值线图。
(4)选择Main Menu→General Postproc→PlotCtrlsAnimate→Deformed Results命令，弹出对话框，进行参数设置，单击OK按钮，ANSYS 显示窗口将以动画方式显示一阶模态振型，单击close按钮关闭动画显示。
(5)选择Main Menu→General Postproc→Read Results→Next Set命令可以读取下一模态求解结果数据，按照上诉方法可以查看相应的求解结果。
(6)选择Utility→File→Exit命令，弹出对话框，选择Save Everything单选按钮，单击OK 按钮，关闭ANSYS程序,如图7所示最终动态结果。
图7 最终动态结果 三、APDL命令流
/clear,nostart
/filename,chapter13-2,modal analysis
/title,chapter13-2,simply supported laminated plate modal analysis C*** using solid46 /prep7
et,1,solid46 ！定义单元类型为SOLID46 r,1,8,1 ！定义铺层数位8，对称铺层 rmore rmore,1,0,0.005,1,45,0.005 ！铺层1和铺层2的参数 rmore,1,-45,0.005,1,90,0.005 ！铺层1和铺层2的参数 mp,ex,1,25e6 ！定义材料参数 mp,ey,1,1e6 ！假设EZ=EY mp,ez,1,1e6 mp,gxy,1,0.5e6 mp,gyz,1,0.2e6 mp,gxz,1,0.5e6 mp,prxy,1,0.25 mp,pryz,1,0.01 mp,prxz,1,0.25
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mp,dens,1,2160 ！密度 block,-4,4,-4,4,0,0.04 ！建立几何模型 /view,,1,1,1
esize,,12 ！控制总体网格划分尺寸 lsel,s,loc,x,-4 ！定义厚度方向网格划分数位1 lsel,r,loc,y,-4 lesize,all,,,1 lsel,s,loc,x,-4 lsel,r,loc,y,4 lesize,all,,,1 lsel,s,loc,x,4 lsel,r,loc,y,-4 lesize,all,,,1 lsel,s,loc,x,4 lsel,r,loc,y,4 lesize,all,,,1 allsel,all
vmesh,1 finish
/solu antype,modal modopt,lanb,5 mxpand,5 outpr,,1
nsel,s,loc,x,4 d,all,uz,,,,,uy nsel,s,loc,x,-4 d,all,uz,,,,,uy nsel,s,loc,y,-4 d,all,uz,,,,,ux
solve finish
/post1 set,list,2 set,first pldisp,0 anmode,10,.5e-1 set,next pldisp,0
anmode,10,.5e-1 set,next pldisp,0
anmode,10,.5e-1 set,next
！网格划分 ！进入求解器 ！定义分析类型为模态分析
！定义模态参数提取方法为BLOCK LANCZOS法，提取前5阶 ！定义模态扩展数为5阶 ！定义约束 ！求解 ！进入后处理器，查看求解结果 ！查看求解结果摘要 ！读取一阶模态求解结果 ！图形显示一阶模态振型 ！动画显示一阶模态振型 ！读取下一阶模态求解结果（二阶模态）5
pldisp,0
anmode,10,.5e-1 set,next pldisp,0
anmode,10,.5e-1 finish
/exit ！退出ANSYS
四、结语
本文运用了ANSYS有限元分析软件对复合材料四边简支板的模态进行了分析。主要是通过图形用户交互界面从定义实常数、建模、网格划分到后处理的整个分析过程，也对APDL命令流有了初步的了解与掌握，是初学者的一次实践。
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