基于ANSYS有限元的复合材料传动轴失效分析
基于 ANSYS 有限元的复合材料传动轴失效分
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
摘要：
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基于ANSYS有限元的复合材料传动轴失效分析 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 simulationtechnology for composite propeller shaft. By the finite element modeling for composite shaft of a certain type aircraft ，the metho...
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作者：闻远设计
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