与一般的各向同性材料相比，复合材料的建模过程要相对复杂。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，因此在定义各层材料性能和方向时要特别注意。在本节中，主要探讨以下问题：
●选择适当的单元类型。
●定义材料层的配置。
●确定失效准则。
●应遵循的建模和后处理规则。
1.选择适当的单元类型
用于建立复合材料模型的单元有SHELL181、SHELL281、SOLSH190、SOLID185及SOLID186五种单元，单元类型的选择主要根据具体的应用和所需计算的结果类型来确定。
（1）SHELL181单元
SHELL181单元是一种4节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。该单元具有包含大应变的完全的非线性性能，允许255层的复合材料结构。各层的信息可通过横截面相关命令输入。
注意：ANSYS 16.1版本中，基本上不再支持通过实常数的方式输入杆单元、梁单元或壳单元的横截面几何结构信息，更多情况下是采用横截面相关命令进行设置。
（2）SHELL281单元
SHELL281单元是一种8节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。该单元适合薄的或具有适当厚度的壳体结构分析，可用于线性以及具有大转动或大应变的非线性复合材料结构分析。各层的信息可通过横截面相关命令输入。
（3）SOLSH190单元
SOLSH190单元是一种8节点3D壳单元，每个节点有3个自由度：节点x、y和z方向的平动，因此，无须额外的操作，SOLSH190就可与其他的连续介质单元相连接。 该单元可以退化为三角形棱柱单元，但只能在网格划分时被当作填充单元来使用。该单元具有包含大应变的完全的非线性性能，允许255层的复合材料结构，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，适合于具有各种厚度的壳体结构分析。各层的信息可通过横截面相关命令输入，可以使用FC命令输入失效准则。
（4）SOLID185单元
SOLID185单元是8节点3D实体单元，它的每个节点有3个自由度：节点x、y和z方向的转动。可以用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元允许250层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续。运用该单元可以进行复合材料结构的塑性、超弹性、蠕变、大挠度、大应变及应力刚化分析。
（5）SOLID186单元
SOLID186单元是20节点3D实体单元，是SOLID185单元的高阶形式，可以用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元允许250层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，支持复合材料的非线性行为和大变形。
2.定义材料的叠层结构
复合材料最重要的特征就是叠层结构，每层材料都可能由不同的正交各向异性材料构成，并且其主轴方向也有可能不同。对于叠层复合材料，纤维的方向决定了层的主方向。
下面两种方法可以定义材料层的配置：
●通过定义各层的材料性质。
●通过定义表征宏观力、力矩与宏观应变，曲率之间相互关系的本构矩阵。
（1）定义各层材料性质
这种方法由下到上一层一层定义材料层的配置，底层为第一层，后续层沿单元坐标系的正Z轴方向自底向上叠加。
有时，某些层可能只延续到模型的一部分，为了建立连续的层，可以把这些中断的层的厚度设置为0。图6-1所示为一个5层模型，其中第2层在某处中断。
图6-1 中断层模型
通过如下命令定义材料层性质：
Command：SECTYPE、SECDATA
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Sections︱Shell︱Add/Edit
所定义的材料层性质包括：
●材料性质。
●层的定向角。
●层厚度。
●每层积分点数。
（2）定义本构矩阵
这是定义各层材料性质的另一种方式，该矩阵表征了单元力、力矩和应变、曲率的关系，必须在ANSYS外进行定义，可参阅ANSYS理论手册。这种方法的主要优点是：
●允许用户对聚合物基复合材料的性质进行合并。
●支持热载荷向量。
●可表征层数无限制的材料。
矩阵项通过层命令来定义，通过定义单元平均密度可以将质量影响考虑进去。如果使用这种方法，就无法得到每层材料的详细信息。
（3）夹层（“三明治”）结构和多层结构
夹层结构是由两个薄的面板和一个厚的但相对较软的夹心层（至少为总厚度的一半）构成，并假定夹心层承受了所有的横向剪切载荷，而面板则承受了所有的（或几乎所有的）弯曲载荷。图6-2所示为一个夹层结构。
图6-2 夹层结构
夹层结构可以用SHELL181单元来进行建模。
（4）节点偏置
对于SHELL181单元而言，在定义横截面的过程中通过使用SECOFFSET命令偏置节点。如果壳是由不同厚度的几部分构成的（台阶状），则节点偏置应遵循以下原则：
●若各部分壳的底面在同一平面上，则将单元节点偏置到壳的底面上（参见图6-3a）。
●若各部分壳的中面在同一平面上，则将单元节点偏置到壳的中面上（参见图6-3b）。
●若各部分壳的顶面在同一平面上，则将单元节点偏置到壳的顶面上（参见图6-3c）。
图6-3 不同结构的节点偏置
3.定义失效准则
失效准则用于获知在所加载荷条件下，各层是否会失效。用户可以从3种已定义的失效准则中进行选择，也可以自定义多达6种的失效准则。3种已定义的失效准则是：
●最大应变失效准则，它允许有9个失效应变。
●最大应力失效准则，它允许有9个失效应力。
●Tsai-Wu失效准则，它允许有9个失效应力和3个附加的耦合系数。
定义失效准则的命令如下：(www.xing528.com)
（1）Command：FC（FCLIST、FCDELE）
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Material Props︱Material Models︱Structural︱Nonlinear︱Inelastic︱Non-Metal Plasticity︱Failure Criteria
GUI：Main Menu︱General Postproc︱Failure Criteria
定义失效准则的典型的命令流如下：
2）Command：TB、TBTEMP、TBDATA
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Material Props︱Failure Criteria
定义失效准则的典型的命令流如下：
定义失效准则的过程中应注意以下事项：
●失效准则是正交各向异性的，因此必须在所有的方向上定义失效应力或失效应变。
●如果不希望在某个特定的方向上检查失效应力或失效应变，则在该方向上定义一个较大的值。
用户自定义失效准则可以通过用户子程序USRFC1到USRFC6来定义，详情可参阅ANSYS用户手册。
4.建模和后处理规则
在复合材料的建模和后处理过程中应注意以下规则：
1）复合材料会呈现出多种耦合效应，如弯扭耦合、拉弯耦合等，这是由于具有不同性质的材料层相互叠合而引起的。它所导致的结果是：如果材料层的叠合顺序是非对称的，即使模型的几何形状和载荷都是对称的，也不能按照对称条件求解，因为结构的位移和应力可能不对称。
2）在模型自由边界上的层间剪切应力通常都是很重要的，要得到这些部位相对精确的层间剪切应力，模型边界上的单元尺寸应约等于总的叠层厚度。对于壳单元而言，增加实际材料层数并不一定能提高层间剪切应力的求解精度。但是，对于SOLID185单元而言，沿厚度方向叠加单元会使得层间剪切应力的求解更为精确。壳单元的层间横向剪切应力的计算基于单元上下表面不承受应力的假设，这些层间剪切应力只在单元的中心处计算，而不是沿着单元边界，可以考虑使用子模型精确计算自由边的层间应力。
3）由于复合材料结构的求解需要输入大量的数据，通常在求解之前要对这些数据进行检验，可通过以下命令实现：
●Command：ELIST
GUI：Utility Menu︱List︱Elements
此命令功能为列表显示所有被选单元的节点和属性。
●Command：EPLOT
GUI：Utility Menu︱Plot︱Elements
此命令功能为图形显示所有被选单元。
●Command：/PSYMB，LAYR，n
GUI：Utility Menu︱PlotCtrls︱Symbols
在执行EPLOT命令之前执行该命令，可图形显示所选全部单元的第n层，它可以用于显示并检验整个模型的每一层。
●Command：/PSYMB，ESYS，1
GUI：Utility Menu︱PlotCtrls︱Symbols
在执行EPLOT命令之前执行该命令，可显示出那些默认单元坐标系被改变了的单元坐标系。
●Command：LAYLIST
GUI：Utility Menu︱List︱Elements︱Layered Elements
该命令可列表显示层的叠加顺序和两种材料性能，还可以指定要显示层的范围。下面是使用该命令后的典型输出结果。
●Command：LAYPLOT
GUI：Utility Menu︱Plot︱Layered Elements
此命令功能为以卡片的形式图形显示层的叠合顺序，如图6-4所示。各层会以不同的颜色和截面线显示。
图6-4 一个[45/-45/-45/45]叠层结果显示
●Command：SECPLOT
GUI：Main Menu︱Proprocessor︱Sections︱Shell︱Plot Section
此命令功能为以卡片的形式图形显示横截面上层的叠合顺序。
4）默认时，只有第1层（底层）的底面、最后一层（顶层）的顶面以及有最大失效值的层的结果数据被写入到结果文件，如果用户对所有层的结果数据都感兴趣，则应将单元的第8个关键字选项（KEYOPT（8））设置为1，但这样可能会导致结果文件很大。
5）可以用ESEL，S，LAYER命令来选择特定层号的单元，如果某单元指定层为0厚度，则不被选中。
6）在通用后处理器POST1中，可以使用LAYER命令来指定需要处理哪一层的计算结果；在时间历程后处理器POST26中，可以使用LAYERP26来指定需要处理哪一层的计算结果。可以使用SHELL命令来指定使用该层的顶面、底面或中面的结果。在POST1中，默认存储的是底层底面、顶层顶面和具有最大失效值的层的结果，而POST26存储的是第1层的结果。如果将单元的第8个关键字选项设置为1，则存储所有层的计算结果。对于横向剪切应力，当KEYOPT（8）=0时，POST1只能以线性变化的形式输出。
●Command：LAYER
GUI：Main Menu︱General Postproc︱Options for Outp
Utility Menu︱List︱Results︱Options
●Command：LAYERP26
GUI：Main Menu︱TimeHist Postpro︱Define Variables
●Command：SHELL
GUI：Main Menu︱General Postproc︱Options for Outp
Main Menu︱TimeHist Postpro︱Define Variables
Utility Menu︱List︱Results︱Options
7）在默认条件下，POST1将在总体笛卡儿坐标系中显示所有结果，使用下列命令可将计算结果转换到其他坐标系中显示：
Command：RSYS
GUI：Main Menu︱General Postproc︱Options for Outp
Utility Menu︱List︱Results︱Options
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