分析复合结构，改进产品设计

复合材料是由两种或多种成分组成的非均质材料，相比均质材料具有更出色的结构性能。多层复合材料（例如纤维增强塑料、层压板和夹层板）广泛应用于飞机部件、航天器零部件、风力发电机叶片、汽车零部件、建筑物、船体、自行车和安全设备等领域的生产制造中。作为结构力学模块的附加模块，“复合材料模块”提供了专门用于分析多层复合结构的建模工具和功能。

软件提供的多物理场耦合功能，方便您在同一个软件环境中考虑传热、电磁、流体流动、声学和压电等多种效应，更准确的分析实际工作场景中的复合材料性能。

层合板理论：层合板的定义和可视化

层压复合材料壳的分析通常基于三维弹性理论或等效单层（ESL）理论。

“复合材料模块”采用专门的多层材料技术，为准确模拟复合材料壳提供以下两种方法：分层理论 和等效单层理论。分层法适用于中等厚度及以上、有限层数的复合材料壳；而等效单层理论则适用于中等厚度及以下的壳，可以容纳许多层，而不会对性能产生显著影响。利用这些理论，您可以执行多尺度、多物理场和各种失效分析来优化层合板的铺层和其他参数。

利用 COMSOL 软件分析多层复合材料

复合材料模块支持的建模对象

使用 COMSOL^® 软件分析复合材料层合板结构。

细观力学/宏观力学

计算复合材料层合板的均质材料属性和宏观响应。

纤维体积分数为 20% 的纤维复合材料的代表单元。该模型用于确定等效平均各向异性材料。

首层失效

评估层压复合材料壳的结构完整性。

多层复合材料壳失效预测模型中铺层中面的 Hoffman 安全系数。

线性屈曲

在一端固定、另一端受压缩载荷的条件下计算临界载荷因子。

薄层中具有不同纤维方向选择的同一复合材料层合板的屈曲模态。

脱层

模拟复合板开始脱层和传播的过程。

复合材料中的界面失效或脱层，其中使用内聚力模型（CZM）模拟四种不同的力值。

非线性材料¹

将非线性材料模型与多层复合材料进行耦合建模。

具有中心切口的薄壁金属框架的应力，其中使用壳功能进行建模。

多体动力学²

将复合材料层合板与多体系统中的其他结构元件相耦合。

复合材料轮辋的 von Mises 应力分布。

复合材料优化³

优化复合材料铺层、铺层厚度、纤维方向和材料属性。

具有初始铺层（线框）和优化铺层（实体）的复合材料层合板的位移和变形剖面。

备注：

1. 还需要“非线性结构材料模块”

2. 还需要“多体动力学模块”

3. 还需要“优化模块”

层合板设置和可视化专用工具

“复合材料模块”提供一套专门的工具，用于可视化由多个层组成的复合材料层合板。

分层法/多层壳接口

三维模式支持的多层壳 接口采用一种基于分层理论的方法，为用户提供详尽的复合材料层合板分析，允许使用非线性材料对单个层进行建模，并支持参考表面和全厚度方向上的位移场具有不同的形函数阶次。通过使用该接口，您可以获得全三维应力和应变分布的结果，计算层间应力并研究每个薄层内的应力变化。

本例使用多层壳 接口模拟复合板的削层。“图形”窗口显示面板中的应力分布

等效单层法/壳接口

壳 接口通过多层线弹性材料 这一材料模型得到了增强，只需在中面进行求解即可轻松计算整个层合板的均质材料属性。分析结果包含全三维应力和应变分布，能够帮助您研究每个薄层内的应力变化等现象。

本例使用壳 接口中的多层线弹性材料 特征对风力发电机复合材料叶片进行建模。“图形”窗口显示涡轮叶片的应力和变形。

多层材料特征

使用多层材料 节点可以定义复合材料的铺层，其中每一层都具有独立的材料数据、厚度和主方向。以这种方式定义的多层材料可以通过多层材料堆叠 节点进行组合，创建更复杂的多层材料。这种方法在需要重复铺层或进行削层建模时非常方便。此外，您还可以为不同层之间的界面定义材料属性。

由五个子层合板（在“模型开发器”窗口中可见）组成的层合板的横截面预览图，用于模拟风力发电机叶片。

层预览图

本模块提供以下两种预览图，可用于直观显示复合材料铺层的输入数据：层堆叠预览 和横截面层预览。层堆叠预览 图描绘了复合材料的层数，并指示每一层中的主纤维方向。横截面层预览 图可以显示每一层的厚度以及参考平面的位置。

“设置”窗口显示多层材料的铺层定义，“图形”窗口显示层堆叠预览图，其中呈现了每层的主纤维方向。

多层材料连接

当以并行结构连接两个不同的层合板或者模拟削层情况时，可以将多层壳 接口中的多层材料堆叠 节点与连续性 节点结合使用。用户可以通过不同的选项来控制两个层合板的连接区域，并可以使用连续性 节点中的横截面层预览 图将这两个层合板的连接层可视化。

两种并排多层材料之间的连接，横截面层预览中描绘了削层结构。

多层材料数据集

多层材料 数据集用于显示有限厚度几何的仿真结果。使用该数据集，您可以轻松地调整（增加或减少）法向上的层合板厚度，以提升薄层合板的可视化效果。此外，还可以沿厚度方向按比例缩放几何，以薄层合板的形式呈现几何结构，获得更佳的显示效果。

使用多层材料数据集生成的多种类型的可视化效果。图中显示三层厚层合板的应力。

多层材料切面图

在复合材料层合板中创建切面时，多层材料切面 图为您提供了更大的自由度。您可以选择一个或多个层来创建切面，也可以选择部分或全部层来创建切面，而无需按照全厚度方向排列。这种绘图工具非常实用，不仅可以帮助您创建切面，还可用于详细检查特定的层，并在该层中非中面的特定位置创建切面。

图中的管设计为五层复合材料层合板，显示了使用多层材料切面 图进行可视化的所有层的应力。

全厚度图

通过全厚度 图，您可以直观地呈现边界上特定位置的任意物理量在层合板厚度方向上的变化情况。您可以在该边界上选择一个或多个几何点，也可以创建截点数据集，还可以直接指定点坐标。与其他曲线图不同的是，该绘图将结果物理量绘制在 x 轴上，将厚度坐标绘制在 y 轴上，以清晰呈现变化的趋势。

本例使用全厚度 绘图类型来显示三层层合板的横向剪切应力，并将多层壳 接口与精确三维解进行比较。

通过多物理场耦合扩展分析

层合板的受力与其他过程之间存在两种不同的相互作用：一类是层合板内部发生的物理过程，所有物理现象及其相互作用均可同时耦合求解；而在另一类情况中，层合板则常常作为某个发生物理现象的三维域的边界出现。软件内置了以下多物理场耦合：

· 传热 ¹

· 电流 ²

· 压电 ²

· 多孔弹性 ³

· 声学-复合材料相互作用 ⁴

· 流体-复合材料相互作用 ⁵

1. 需要“传热模块”

2. 需要“AC/DC 模块”或“MEMS 模块”

3. 需要“多孔介质模块”

4. 需要“声学模块”

5. 涉及湍流时需要“CFD 模块”

传热和电流

使用多层材料技术模拟复合材料层合板内的焦耳热和热膨胀。

六层复合材料中由加热引起的等效应力分布。

压电

在复合材料层合板模型中嵌入压电材料接口，以模拟薄压电器件和传感器。

中间嵌有压电层的多层壳模型。压电层（彩色线框图）和金属层（彩色图）分别显示轴向压缩和面外位移。

声学-复合材料相互作用

通过将复合材料层合板模型与周围的声学域进行耦合，对振动声学进行建模。

压力等值面图显示了压缩驱动器的相位塞。

流体-复合材料相互作用

结合多层线弹性材料来模拟复合材料层合板与流体域的相互作用。

显示流体流动速度大小的流体-复合材料相互作用的示例。