NASTRAN 2018 复合材料分析：理论基础与实际操作


参考资源链接：[MSC Nastran 2018官方快速参考指南](https://wenku.csdn.net/doc/6401abd2cce7214c316e9a01?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. NASTRAN 2018复合材料分析概览

复合材料以其优越的性能和独特的组合特性，在航空、汽车、船舶、体育器材等多个领域得到了广泛应用。本章将从NASTRAN 2018软件的角度出发，为读者提供一个对复合材料分析的概览，包括分析流程、关键技术和应用场景。

复合材料的分析不是孤立的，它与力学、材料科学、计算机科学以及软件工程等多个学科紧密相关。NASTRAN 2018作为一款经典的有限元分析软件，它所提供的复合材料分析工具能够帮助工程师模拟复杂载荷下的材料响应，评估结构的强度和寿命，从而进行优化设计和性能改进。

为了便于理解和应用，本章将带领读者从软件基础操作入手，通过案例逐步深入理解复合材料分析的精妙之处。在后续的章节中，将详细介绍复合材料的基础理论、NASTRAN中的模型构建方法、实际案例分析，以及高级应用的探讨。让我们开始这段技术之旅，揭开复合材料分析的神秘面纱。

# 2. 复合材料的基础理论

## 2.1 复合材料的基本概念

### 2.1.1 复合材料的定义和分类

复合材料是由两种或两种以上具有不同化学和物理性质的材料，通过特定的工艺组合成的一种具有特殊性能的新型材料。其中，每一种构成材料都保持自身的特性，且在复合材料中起到不同的作用。复合材料的定义和分类对理解其特性、设计以及应用至关重要。

复合材料根据基体材料的不同，可以分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料等。按纤维类型划分，主要有碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、芳纶纤维复合材料等。而从结构形式上来看，常见的复合材料结构包括层合板、夹层结构和编织结构等。

### 2.1.2 复合材料的力学性能特点

复合材料的力学性能具有高度的各向异性，意味着其在不同方向上的力学行为和响应可能有很大的差异。一般而言，纤维方向的力学性能远高于基体材料，尤其是在抗拉强度和刚度方面。另外，复合材料的层间性能相比纤维和基体性能较弱，因此层间破坏是设计和使用复合材料时需要重点关注的问题。

例如，碳纤维增强塑料（CFRP）因为高刚度、高强度以及低密度等优势，在航空、汽车等领域被广泛使用。而玻璃纤维增强塑料（GFRP）由于成本较低，但强度和刚度较碳纤维复合材料低，适合用在对重量要求不是非常严格的环境中。

## 2.2 复合材料的力学模型

### 2.2.1 层合板理论基础

层合板理论是理解和分析复合材料性能的关键，它将层合板划分为多个单一的材料层，每层都具有特定的材料属性和厚度。在分析时，各层的性能将根据其在层合板中的方向和位置进行综合，以预测整个结构的综合性能。

在层合板理论中，通常会用到著名的古典层合板理论（CLT），该理论假设每一层均质且各向异性，同时层与层之间完美粘合。基于这些假设，可以推导出层合板的应力-应变关系，并进一步确定其刚度矩阵。

### 2.2.2 材料失效准则和强度理论

在设计复合材料结构时，预测其可能的失效模式至关重要。通常，复合材料的失效模式包括基体开裂、纤维断裂、界面破坏以及层间剪切等。为了预测这些失效，需要使用不同的材料失效准则和强度理论。

常见的失效准则有最大应力准则、最大应变准则、Tsai-Hill准则以及Tsai-Wu准则等。这些准则提供了判断复合材料在复杂应力状态下是否发生破坏的理论依据。在实际应用中，工程师需要选择合适的失效准则，并结合实验数据进行复合材料设计和分析。

## 2.3 复合材料的分析方法

### 2.3.1 有限元分析在复合材料中的应用

有限元分析（FEA）是现代工程设计中不可或缺的分析工具。在复合材料分析中，FEA能够有效模拟材料在复杂载荷和边界条件下的响应。通过使用FEA，工程师可以在产品开发的初期阶段预测其性能，从而减少原型试制和测试的次数，节省成本和时间。

在复合材料FEA分析中，层合板单元（如层合壳单元）是常用的一种单元类型。这种单元能够模拟复合材料的层状结构，使得在分析中可以考虑各层的物理和力学性能差异。此外，FEA软件通常会提供复杂的材料模型，比如正交各向异性材料模型，以准确模拟复合材料的力学行为。

### 2.3.2 考虑复合材料特性的分析技术

在复合材料的分析过程中，必须考虑其多相性和各向异性等特性。这需要使用特定的分析技术，比如多尺度分析和多物理场分析。多尺度分析考虑了复合材料从微观尺度到宏观尺度的不同层次响应，而多物理场分析则考虑了复合材料在受到温度、电场或磁场等影响时的响应。

对于复合材料的疲劳和冲击分析，也需要特定的分析方法。疲劳分析通常结合了S-N曲线和疲劳累积损伤理论，评估材料在循环载荷作用下的寿命。冲击分析则需要考虑材料的动态力学行为和能量吸收能力，以预测材料在高速冲击下的响应。

在下一章节中，我们将探讨如何使用NASTRAN 2018软件构建复合材料模型，这将使我们从理论走向实际应用，更深入地理解复合材料分析的实践操作。

# 3. NASTRAN 2018中的复合材料模型构建

在前一章节中，我们已经探讨了复合材料的基础理论，包括复合材料的定义、分类、力学性能特点，以及复合材料的力学模型和分析方法。本章将着重介绍如何在NASTRAN 2018中构建复合材料模型，包括软件的基本介绍、材料定义、层合板模型的建立、以及复合材料模型的加载和求解。通过深入学习这些内容，读者将能够利用NASTRAN软件模拟并分析复合材料在不同条件下的力学行为。

## 3.1 NASTRAN软件介绍与操作环境

### 3.1.1 NASTRAN 2018软件界面及功能模块

NASTRAN（NAs