文章发布：上海安世亚太官方

作者：陈科夫上海安世亚太结构应用工程师

本文共计字，阅读时间预计4分钟

编者按

作者详细分析了短纤维增强复合材料力学仿真技术的应用领域和实际意义，并具体阐述了MechanicalR1中实现短纤维增强复合材料的力学分析过程。

什么是短纤维增强复合材料

短纤维增强复合材料具有制造快速、力学性能好等优点，已成为传统材料的重要替代品。目前被广泛应用于交通运输、航空航天等工程领域。准确地预测短纤维增强复合材料的力学性能对于实际工程应用具有重要意义。

针对短纤维增强复合材料细观随机分布的特征，基于RVE的有限元法，可以很好的对复合材料的力学特性进行仿真，并且能够满足复合材料设计要求。

如何实现力学分析

ANSYSMechanicalR1短纤维增强复合材料力学特性仿真功能得到了增强，该功能能够模拟注塑材料的真实和复杂细节，如纤维的方向和零件中存在的注塑应力等。下文主要阐述在MechanicalR1中如何实现短纤维增强复合材料的力学分析。

总体上需要建立图1的项目流程并分析一个短纤维复合材料注塑而成的简单模型。其中MaterialDesigner模块主要计算短纤维复合材料各向异性弹塑性力学性能。InjectionMoldingData为R1版本的新增模块，可以导入专业注塑成型仿真软件的相应结果，为后续分析提供输入条件。

图1

第一步

从ComponentSystems拖入MechanicalDesigner、InjectionMoldingData两个模块。从AnalysisSystems拖入StaticStructural模块，并在StaticStructural完成基本几何建模。

第一步示意图

第二步

进入MaterialDesignerEngineeringData，选择复合材料基体及纤维的材料，本例选择ResinPolyamide

/Nylon66为基体材料，E-Glass为纤维材料。

第二步示意图

第三步

进入MaterialDesigner模块，MaterialDesignerShortFiberCompositeAnalyticalModel,使用分析模式快速计算均质化平均场参数。

第三步示意图

第四步

在AnalyticalModel（shortFiber）中进行设置，在Materials中设置基体及纤维材料；

在Setup中设置体积含量、纤维长径比等参数。在setting中采用默认设置。设置见下图。

第四步示意图

第五步

在Analyses中选择VariableMaterial，编辑可随区域变化的材料。选择SamplingStrategy为custom。进入ShortViberWizard，根据内容提示，可输入若干取样方向点，本例取10。本例同时考虑不同的体积含量的组合，在FiberVolumeFraction前打勾，输入0.1-0.4:7，并点击ok。得到如下参数列表。并完成材料计算，退出。

第五步示意图

第六步

将MaterialDesigner链接到StaticStructure中的EngineeringData，将材料数据传入工程数据，打开工程数据后，可以直观的看到复合材料基材、纤维材料的基本数据，纤维方向张量的特征值A11、A22及体积含量等数据。

第六步示意图

第七步

进入InjectionMoldingData模块，SetupRMBEdit，导入从第三方注塑成型仿真软件导出的网格文件和纤维方向张量文件。

第七步示意图

第八步

链接Setup至StaticStructure---Model，并update。

第八步示意图

第九步

进入Mechanical，设置材料为基体-纤维复合材料，并按下图步骤导入单元定向向量。

第九步示意图

第十步

进入Materials，按下图步骤导入A11纤维方向张量特征值分布场。

同理，导入A22纤维方向张量特征值分布场

最终得到A11和A22分布场云图。

第十步示意图

第十一步

添加载荷和边界条件，并进行求解。得到结果（总位移）。

第十一步示意图

结语

通过上面这个案例，我们可以初步了解如何通过MechanicalDesigner、InjectionMoldingData完成短纤维注塑复合材料的仿真。通过该功能，可以考虑纤维分布对材料特性的影响，能够更真实的模拟结构的力学特性，确保产品的安全性和可靠性。

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