NASTRAN2018复合材料仿真：先进材料的应用与分析


# 摘要
本文主要介绍复合材料仿真技术及其在NASTRAN2018软件中的应用。首先概述复合材料仿真及NASTRAN2018的基本情况，随后深入探讨复合材料的理论基础、仿真分析方法以及仿真前处理和后处理的关键步骤。第三章重点介绍NASTRAN2018在复合材料仿真中的应用，包括软件架构、功能模块以及具体案例分析。第四章探讨复合材料仿真中的先进分析技术，例如多尺度分析、失效模型的精确分析和优化设计策略。最后，第五章展望了未来仿真技术的发展方向，包括人工智能、新兴计算方法以及持续创新和复合材料的未来趋势。本文意在为复合材料仿真领域的研究者和工程师提供实用的理论知识和应用技术。

# 关键字
复合材料；仿真分析；NASTRAN2018；多尺度分析；失效模型；优化设计

参考资源链接：[MSC Nastran 2018入门指南：Getting Started with NASTRAN](https://wenku.csdn.net/doc/6401ac22cce7214c316eabe9?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 复合材料仿真概述与NASTRAN2018简介

## 1.1 复合材料仿真概述
在现代工程设计中，复合材料以其优异的力学性能、可设计性以及成本效益而被广泛采用。复合材料仿真作为一种先进的工程分析手段，帮助工程师在产品开发阶段提前发现设计缺陷，优化材料使用，缩短研发周期，降低研发成本。

## 1.2 NASTRAN2018的简介
NASTRAN（NASA Structural Analysis）是一个强大的有限元分析软件，自1960年代由美国宇航局开发以来，一直被工程师用于分析和设计复杂的工程结构。NASTRAN2018继承了其前身的强大功能，并引入了许多新的分析工具和性能改进，使其能够更好地适应现代工程仿真需求。它提供了多种分析类型，包括线性静态、动态响应、热分析等，并支持各种材料模型和复杂的几何结构。

通过本章内容的阅读，读者将对复合材料仿真有一个基本的理解，并对NASTRAN2018的功能有一个初步的认识。这将为后文对复合材料理论基础的深入分析、NASTRAN2018的具体应用以及仿真技术的发展趋势提供扎实的基础。

# 2. 复合材料的理论基础与仿真分析方法

### 2.1 复合材料的微观结构与宏观性能

#### 2.1.1 纤维和基体材料的性质

复合材料是由两种或两种以上不同物理和化学性能的材料，通过物理或化学方法结合在一起，具有各组分特性优点的新型材料。在复合材料中，纤维和基体材料是构成复合材料的两个重要组成部分，它们的性质直接影响复合材料的宏观性能。

纤维是复合材料的主要承载成分，通常具有高强度和高模量的特性。常见的纤维材料有玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等。它们在复合材料中主要起到增强作用。基体材料则起到承载、固定和保护纤维的作用，同时传递载荷。基体材料主要可以分为热固性树脂、热塑性树脂和金属等。不同类型的基体材料对复合材料的性能影响也不同。

以碳纤维增强的复合材料为例，碳纤维具有极高的强度和模量，而基体如环氧树脂则提供了良好的粘合强度和成型性能，确保了复合材料的整体性能和工艺性。复合材料的微观结构决定其宏观性能，只有深入理解纤维与基体的性质，才能更好地进行复合材料的仿真分析。

#### 2.1.2 复合材料的力学模型

为了描述复合材料的宏观力学行为，研究人员提出了多种力学模型，这些模型能够从理论上预测复合材料在外力作用下的响应。其中，经典的力学模型包括单向板理论、平面应力和平面应变理论等。

单向板理论是研究复合材料力学行为的基础，它假设在一个方向上的纤维是连续的，并且所有的纤维都在同一方向上排列。这个模型可以用来分析复合材料的弹性模量、泊松比和强度等参数。而在多向复合材料中，则需要使用更复杂的模型，如层合板理论来分析不同角度的纤维铺设对材料性能的影响。

层合板理论是基于经典的 laminate theory，它允许不同层的材料具有不同的材料属性和不同的铺设角度，能够更准确地预测复合材料的力学行为。在层合板理论中，每一层被认为是单向板，而整个复合材料层合板的力学行为是由各个单向板的叠加决定的。

### 2.2 复合材料的仿真前处理

#### 2.2.1 材料属性的定义

在进行复合材料的仿真分析之前，首先需要定义材料属性，这包括但不限于弹性模量、剪切模量、泊松比、热膨胀系数等。对于复合材料而言，还需要定义材料的方向性，因为纤维的方向性对材料性能有重要影响。

在NASTRAN2018中定义材料属性时，通常需要使用材料定义卡片（如MAT1、MAT2等），在卡片中输入材料的名称、材料类型以及材料的力学性能参数。对于正交各向异性材料（比如碳纤维增强塑料），需要为每个方向（纵向、横向以及厚度方向）单独定义材料属性。

定义材料属性的步骤如下：

1. 打开NASTRAN2018前处理软件。
2. 进入材料定义模块，创建新材料。
3. 选择适合复合材料的材料类型卡片。
4. 输入该材料的主要力学性能参数。

MAT1, 1, 3, 0, 3, 0, 3
1.0E+07, 0.3, 1.0E+07, 0.3, 1.0E+07, 0.3
, 1.0E-05, 0.0, 1.0E-05, 0.0, 1.0E-05, 0.0

以上是一个简单的NASTRAN材料定义示例，其中包含了弹性模量、泊松比以及热膨胀系数的定义。每行数据的含义需要根据NASTRAN的材料卡片说明来正确填写。

#### 2.2.2 层合板理论与建模技巧

在复合材料的仿真分析中，层合板理论是非常关键的理论基础。层合板是由多层正交各向异性或各向同性材料按一定方向铺设而成的。每层称为一个铺层，具有不同的材料属性和纤维方向。

层合板模型的建立需要在仿真软件中进行，例如，在NASTRAN中，每层的材料属性、厚度和铺设角度都可以通过层合板卡片（如PCOMP）来定义。层合板卡片允许用户指定每一层的材料编号、厚度以及铺设角度，这对于准确模拟复合材料结构的力学行为至关重要。

层合板建模的一般步骤如下：

1. 确定复合材料的层数和每层的材料属性。
2. 确定每层的纤维方向。
3. 使用层合板卡片定义每层的属性。
4. 在建模软件中根据层合板卡片生成对应的层结构。

PCOMP, 1, 0, 1, 0.125, 1, 1, 2, 3

在上述示例中，定义了一个三层的复合材料