基于ANSYS有限元的复合材料传动轴失效分析

王凯 叶年江

摘 要：该文运用有限元分析软件ANSYS，对复合材料数值建模技术做以通用介绍。通过对某小型飞机复合材料传动轴结构进行有限元数值建模，利用ANSYS静力学法对该传动轴的受力过程进行数值模拟分析，并运用后处理技术对数值分析结果进行图形描述。基于对该传动轴的位移、应力及应变失效分析，为该复合材料传动轴结构的改进及日常维护提供依据。该文的分析方法对其他复合材料结构的失效分析具有较为广泛的适用性。

关键词：复合材料 传动轴 有限元建模 失效分析

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：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

碳纤维复合材料由于较高的比强度和比模量以及较小的密度，在航空航天领域已经得到了广泛应用，可以利用碳纤维复合材料这种可变的性能参数来满足不同的使用性能要求。传动轴是复合材料的一个重要应用方面，目前在航天飞机、高性能汽车以及特殊用途的机械中得到了广泛应用。复合材料的抗拉和抗压性能较好，而复合材料结构设计标准的不足或日常维护不当常常成为制约复合材料有效应用的重要因素。因此，对复合材料结构进行有限元数值并基于此的失效分析研究具有较大的工程应用价值。

基于复合材料基础应用理论，该文针对某小型飞机碳纤维复合材料传动轴的几何尺寸及受力特性，通过合理简化结构模型、运用刚体约束技术和适当施加边界条件及载荷，通过ANSYS软件对该复合材料传动轴进行直接建模并分析了该传动轴在设定扭矩下的特性，获得该复合材料传动轴的位移、应力云图，并对该传动轴的应力失效和应变失效进行分析。

1 复合材料传动轴有限元模型的建立

该型飞机复合材料传动轴结构，是由玻璃纤维或环氧树脂基体制成的碳布组成的。环氧树脂基体可以保护纤维，并转移分布在纤维上的载荷。每层材料都由不同的正交各向异性材料构成，并且其主方向也各不相同。对于叠层复合材料，纤维的方向即决定了层的主方向。对于该传动轴结构来说，共由10个铺层组成，从第一层到第十层的铺角分别为-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°。该轴所受扭矩为2 000 N·m，其材料常数如表1所述。

1.1 复合材料有限元建模通用技术

1.1.1 复合材料类型的选取

通常情况下，用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL181、SHELL281、SOLSH190、SOLID185和SOLID186五种单元，实际工程应用中应根据具体应用和所需计算结果类型等来确定，所有的层单元允许失效准则计算。

SHELL181是一种4节点三维壳单元，每个节点有6个自由度，该单元具备完全非线性分析能力，主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。该单元允许有多达250层的等厚材料层，或者125层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等厚材料层。

SHELL281是一种8节点三维实体壳单元，每个节点有6个自由度。该单元适用于薄到中等厚度的板和壳结构且支持线性、大转动或是大应变的非线性分析；SOLISH190是8节点三维壳单元，每个节点有3个自由度。该单元适用于薄到中等厚度的板和壳结构且支持所有的非线性功能（包括大应变），允许有多达250层材料层；SOLID185是8节点三维实体单元SOLID45的一种叠层形式，其每个节点有3个自由度（UX，UY，UZ），该单元支持塑性、超弹性、应力刚化、蠕变、大变形和大应变功能，可以模拟几乎不能压缩的弹塑性材料，也可以模拟完全不能压缩的超弹性材料；SOLID186是一个高阶三维20节点固体结构单元，具有一次位移模式可以更好地模拟不规则的网例。该单元可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变能力，还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。

1.1.2 确定材料的叠层结构

复合材料最重要的特征就是其叠层结构。对于叠层复合材料，纤维的方向决定了层的主方向。通常壳由下到上逐层定义材料层的配置。底层为第一层，后续的层沿单元坐标系的Z轴方向自底向上叠加。对于每一层材料，由单元实常数表（R，RMORE，RMODIF）定义材料性质（MAT、层定向角（THETA）、层的厚度（TK）、每层积分点的数目（NUMPT）。

而对于夹层结构和多层结构而言，夹层结构有两个薄的面板和一个厚度相对软的夹心层。在实际建模中，假定夹心层承受了所有的横向剪切载荷，而面板则承受了几乎所有的弯曲载荷。夹层结构可用SHELL181或SHELL281单元建立有限元模型，该两种单元通过能量等效方法模拟横向剪切偏转。

1.1.3 通用的建模和后处理技术

对于耦合效应来说，复合材料会体现出几种类型的耦合效应，诸如弯扭耦合、拉弯耦合等，这是由具有不同性质的多层材料互相重叠引起的。其结果是，如果材料层的积叠顺序是非对称的，则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只求解一部分模型，因为结构的唯一和应力可能不对称。

对于获取准确的层间剪应力，若获取模型自由边界上层间剪切应力的精确值，则模型边界上的单元尺寸应约等于总的叠层厚度。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。基于此，在多数工程实践建模中，多采用壳-实体子模型精确计算自由边的层间应力。

对于输入数据的验证，因复合材料的求解需要大量的输入数据，故在进行求解之前应对输入数据进行验证，用以列表显示所有被选单元的节点和属性、图形显示所有被选单元及所选全部单元的某一指定层。

1.2 复合材料传动轴有限元模型的建立

基于上述复合材料建模技术分析及该型飞机复合材料结构特性，采用自底向上建模并逐层定义材料性质的方式，建立该传动轴有限元模型。该复合材料传动轴选用SHELL181单元，各铺层参数按45°/-45°层叠铺层进行设置。该复合材料各铺层参数设置如图1所示。

根据该传动轴设计要求，该传动轴绕其轴线作旋转运动并承受扭矩作用。在限制该轴底端全部自由度的同时，为便于模拟该传动轴的扭矩作用，在接触管理器（Contact Manager）进行参数设置时，将其接触单元类型设置为Node-to-surface，将其接触表面类型设置为Rigid constraint，并将其除ROTZ外的自由度全部耦合，以形成刚性耦合的方式，模拟该传动轴扭矩输入。最终建立的有限元模型如图2所示。

2 有限元模型数值计算及分析

利用ANSYS的静力学分析法对该复合材料传动轴受力过程进行力学分析，并运用后处理技术对数值结果进行处理，得到该复合材料传动轴在特定扭矩作用下的位移、等效应力、最大应力失效及最大应变失效云图。分别如图3～6所示。

3 结语

该文介绍了一种在ANSYS软件中对复合材料结构采用APDL参数化自底向上直接建模的方法，并利用静力学分析模块，对该复合材料传动轴在特定扭矩作用下进行数值模拟分析，获取该复合材料传动轴结构的位移、应力云图。为提高该传动轴设计要求提供了有效依据。

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