2024年5月15日发(作者：扶清霁)
第五章 复合材料
5.1 复合材料的相关概念
复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于
飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。
复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比
刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、
玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。
ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作
任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目
前尚未提供层单元。
5.2 建立复合材料模型
与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。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，在定义各层材料的材料性能和方
向时要特别注意。本节主要探讨如下问题：
选择合适的单元类型；
定义材料层；
确定失效准则；
应遵循的建模和后处理规则。
5.2.1 选择合适的单元类型
用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46
和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单
元。具体应选择哪一类单元要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。
1、SHELL99--线性层状结构壳单元
SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄
到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应
考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 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材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入
自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底
层。
2、SHELL91--非线性层状结构壳单元
SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用
户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为以及一个特殊的
“三明治”选项，而 SHELL99 则不能。另外 SHELL91 更适用于大变形的情况。
2024年5月15日发(作者：扶清霁)
第五章 复合材料
5.1 复合材料的相关概念
复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于
飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。
复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比
刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、
玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。
ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作
任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目
前尚未提供层单元。
5.2 建立复合材料模型
与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。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，在定义各层材料的材料性能和方
向时要特别注意。本节主要探讨如下问题：
选择合适的单元类型；
定义材料层；
确定失效准则；
应遵循的建模和后处理规则。
5.2.1 选择合适的单元类型
用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46
和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单
元。具体应选择哪一类单元要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。
1、SHELL99--线性层状结构壳单元
SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄
到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应
考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 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材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入
自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底
层。
2、SHELL91--非线性层状结构壳单元
SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用
户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为以及一个特殊的
“三明治”选项，而 SHELL99 则不能。另外 SHELL91 更适用于大变形的情况。