ANSYS SHELL181单元在复合材料分析中的应用

复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成的，其主要优点是具有优异的材料性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点。复合材料可用于飞机机翼、尾翼，发动机机匣、叶片等结构设计，也是用于压力容器、风力发电叶片等民用结构的先进材料。

有限元技术是分析复合材料力学性能的先进手段。ANSYS程序中复合材料单元比较全，其中shell181单元是比较好的单元之一。

1.shell181单元介绍

 ​shell181为四节点壳单元，每个节点具有X、Y、Z三个轴方向的位移和绕X、Y、Z三个轴的转角共计6个自由度（如选用膜片，则该单元只有位移自由度）。退化的三角形单元，只用于网格生成的填充单元。181壳单元适于分析薄至中等厚度的壳形结构。

181壳单元非常适用于线性、大转角和/或大应变非线性的应用。计算变厚度壳单元应用非线性分析。在单元范围内支持完全和减缩的积分方法。181壳单元计及压力分布引起的（载荷刚度）影响。

181壳单元适用于模拟分层的复合壳或夹层结构。模拟壳的精度取决于第一剪切变形理论（通常称为Mindling-Reisser壳理论）。

 

2.shell181单元数据输入

此单元由I、J、K和L一共4个节占来定义。单元方程式基于对数应变和真实应力方法。可以用常数或截面定义它的厚度或其他数据。仅对单层壳选用实常数。如果一个181壳单元既有实常数设置，又有一个正确有效的截面类型，则实常数将被忽略。

2.1用实常数定义厚度

壳单元的厚度可以在单元各节点定义。假设整个单元厚度平缓变化。如果单元厚度不变，只输入TK（1）。如果厚度变化，则必须输入4个节点的厚度。

2.2层截面定义

另一种选择，可以用截面命令定义壳单元厚度和更一般的特性。181壳单元可与壳截面联合（见SECTYPE命令说明）。与选择实常数相比，壳截面是定义壳结构的更通用的方法。壳截面命令可用于定义分层复合材料壳的定义，而且提供了输入确定的厚度、材料、方位和通过层厚度的积分点的操作。注意单层壳不排除用壳截面定义，而且提供更灵活的操作，如使用ANSYS函数编码器定义作为整体坐标和采用积分点的函数的厚度。

当采用截面输入时，你可指定经由每层厚度的积分点数（1，3，5，7或9）。仅当积分点数为1时，积分点总是位于顶面和低面之间。如果积分点数为3或更多时，其中两个积分点分别位于顶面和底面，其余积分点在上述两点之间等距分布。当指定积分点数为5时例外，那里四等份的积分点位置向最近的层面移动5%，使与选用实常数输入选定的位置一致。每层积分点数的默认值为3。注意，当采用实常数时，ANSYS采用5个积分点。然而当使用截面定义等效层时，积分点默认值是3。为了对解法进行比较，用SECDATA命令设置截面积分点数为5。

3.shell181典型弯曲应用

悬臂梁和梁的横截面使用壳体建模是板内弯曲占主导因素问题的典型例子。在这样的情况下，设置keyopt(3)=2是最有效的选择。而缩减积分可能需要进行网格优化。例如，悬臂梁的缩减积分求解需要厚度方向的四个单元 ，反之，非协调模式的完全积分只需要定义厚度方向的一个单元。

当设置keyopt(3)=0时，对于薄膜和弯曲模态问题，SHELL181单元会选用沙漏控制法。默认情况下，shell181单元会为金属和超弹性应用问题计算沙漏参数。设置沙漏刚度比例因子可以使用SECCONTROLS命令。​