软件工程与复合材料有限元分析问题定义.PDFVIP

2006．年2月 安度■范季院学报(1煞科学版) Feb0∞6 第12卷第1期 J0umal Sdence V扎12N杌1 of加蜘TeachersCollege(NaturalEdition) 软件工程与复合材料有限元分析：问题定义 韩承双，，程再玲z (1．安庆师范学院计算机与信息学院，安徽安庆246011； 2．安庆师范学院数学与计算科学学院，安徽安庆246011) 擒耍：计算机技术的发展推动了科学计算特别是工程结构分析的发展。在(层合)板壳结构有限元分 析中。从问题定义、数学建模到有限元分析软件设计、编程实现，其实质就是一个软件工程问题。本文从软 件工程的角度。讨论复合材料结构有限元分析的过程与方法。 关羹词：软件工程；结构分析；有限元；数学建模 中圈分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1007_4260(2005)04—0070_03 软件工程不是一个抽象的概念，它总是依附于所要解决的具体问题而存在的。如同管理信息系统 的软件工程一样，通过计算机技术实现的工程计算、结构力学数值分析等本质上也是软件工程问题。当 然，由于它们所要解决的问题不同，所采用的计算机技术和方法也可能不同，但就软件工程的本质来 说，它们都遵循着同样的开发过程，即经过问题定义(提出问题)、可行性分析、逻辑建模(数学建模、力 学建模)、软件设计和编程实现这样一些过程。 正是由于计算机技术和软件工程技术的发展，出现了诸如计算结构力学这样的新型学科。如果没 有计算机和软件工程技术的发展，那么，现代许多在结构分析特别是复合材料结构分析方面的工作都是 不可想象的。 具体到复合材料有限元分析，由于其分析模型的特殊性，其建模方法与一般的管理信息系统的逻 辑建模会有所不同。通过结构分析的数学描述，导出用于有限元分析的离散化的力学分析模型，最终都 归结为求代数方程组或特征值问题。本文作为软件工程与复合材料有限元分析的开篇，主要讨论复合 材料结构分析和复合材料有限元分析的原理和方法，导出层合板壳结构有限元分析的软件工程问题。 但限于篇幅，基于有限元分析的逻辑建模及软件设计将另文讨论。 1、复合材料结构分析 复合材料常常以多层板多层壳的结构形式承载，它有许多不同于常规工程材料的特性，主要表现 在非均匀性和各向异性。就每一层来说，都是由两种或两种以上的材料组成的，因而是非均匀的。其次， 不同层的纤维取向、纤维含量、厚度、甚至纤维种类和基体材料都可能不同，因此，不同层更是非均匀 的。所谓各向异性，主要是由于纤维的方向性造成的，强度性能、刚度性能都具有方向性。此外，有些纤 维(如碳纤维)本身也是各向异性的。总而言之，每一层复合材料都是各向异性的，而不同层的各向异性 情况又可能是不同的。在结构分析中，都采用宏观力学的方法进行研究，即在层内做了均匀化处理，把 每一层都看作是均匀的各向异性材料。因此，在宏观力学的意义上，层合复合材料的非均匀性只表现在 沿厚度方向上的非均匀性(即呈层性)，这种不均匀性造成了复合材料的拉弯效应。 作者简介：韩承双(1955一)，男，安徽安庆人，安庆师范学院计算机学院高级工程师，主要研究方向是计算机应用等 第1期 韩承双-，程再玲z：软件工程与复合材料有限元分析：问题定义 ．71． 近年来，(层合)板壳理论得到了广泛的研究fI-31。但由于板壳理论特别是其非线性理论在数学描述 上的复杂性，一般不存在普遍意义的解析解，对于更一般的几何结构或一般的受力、边界情况，很难有 解析解存在。随着计算机技术的发展和有限元方法的广泛应用，为一般层合板壳结构等复杂问题的求 解提供了强有力的手段。所以，复合材料层合板壳结构的有限元分析受到了越来越多的关注。 复合材料与金属材料相比，横向剪切刚度比较小。因而，除了薄壁板壳以外。一般都要考虑厚度方 向剪切变形的影响。由于呈层性，厚度方向的两个剪应力沿厚度分布十分复杂，事先无法确切确定其分 布规律。要正确地考虑这种影响，并精确地计算这