SYSPLY - 复合材料设计、分析及优化软件 - 图文

SYSPLY——复合材料设计、分析及优化软件

北京ESI-ATE科技有限公司

2010年7月

目 录

1. 前言 .............................................................................................................................................. 2 2. ESI集团复合材料虚拟解决方案 ............................................................................................... 2 3. SYSPLY复合材料设计、分析专业软件 .................................................................................. 4

3.1. SYSPLY的市场定位 ........................................................................................................ 5 3.2 SYSPLY求解器处理的问题 ........................................................................................... 5 3.3 SYSPLY的分析流程 ........................................................................................................ 6 3.4 SYSPLY的显著优势 ........................................................................................................ 7 3.5 SYSPLY的行业应用及成功案例 .................................................................................. 11 3.6 SYSPLY的国内主要用户 .............................................................................................. 14 4 5

软件性能指标 ............................................................................................................................ 15 同行业软件对比 ........................................................................................................................ 15

6 SYSPLY的模块信息 ................................................................................................................. 17 7 SYSPLY支持的平台 ................................................................................................................. 17

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1. 前言

ESI 集团是世界领先的数值仿真软件供应商，其产品主要应用在通过材料物理的虚拟原型和制造工艺仿真。ESI集团联合众多学术团体和企业开发出了一系列连贯的面向实际工程的应用程序，以实现对产品测试的实际仿真，与产品性能协同的工艺参数微调以及评价产品在使用环境中的表现。

通过越来越多的减少试验样机的数量，显著的降低成本和缩短开发周期，虚拟试验空间（VTOS）解决方案提供了卓越的竞争力优势。

通过与全球700名高级专家的协作，ESI及其全球代理网络为超过30个国家的用户提供了软件销售和技术支持服务。

ESI的发展基于连续不断的锐意创新，被法国国家研究代理处（ANVARA）评选为“创新公司”。

2.

ESI集团复合材料虚拟解决方案

ESI集团作为虚拟试验测试的先锋，能够提供一套覆盖整个复合材料流程的虚拟解决方案，它包括设计和生产领域的复合材料结构动态模拟。其中SYSPLY是ESI集团复合材料解决方案中非常重要的环节。它完全集成的虚拟试验空间（VTOS），覆盖在复合材料价值链的所有步骤。利用它，工程师能够评估并调整复合材料部件的制造。从SYSPLY用于设计模拟， PAM-RTM进行树脂注射模拟。 SYSPLY和PAMRTM是复合材料全面解决方案中的一个环节 2

制造 ...

使用 …

测试 …

ESI是全世界唯一能够提供这种复合材料虚拟设计和虚拟制造完整体系的虚拟工程技术公司（如下图1所示）。ESI是法国达索系统公司的全球战略合作伙伴（如图2所示），因此ESI正在将其产品集成到CATIA V5环境, 例如基于CATIA V5的复合材料树脂注塑成型仿真软件PAM-RTM。

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3. SYSPLY复合材料设计、分析专业软件

SYSPLY是设计、分析和优化复合材料结构的专业软件。SYSPLY可以帮助工程师通过静动力分析设计和验证复合材料部件。SYSPLY可以帮助企业加速设计流程，并通过减少材料浪费和样机测试数目来达到降低成本的目的。

复合材料结构特性的评估必须要考虑材料的多样性（包括增强塑料、玻璃聚酯、碳环氧、）蜂窝或蜂窝芯材夹层、碳－碳复合材料等）以及它们的原始力学性能（不均匀性和各向异性）。SYSPLY提供的综合材料数据库为各种三维结构铺层材料定义带来极大的便利，而它独特的组合功能为工程师进行快速设计评估和研究带来很大的竞争优势。SYSPLY交互计算任何大量叠层的总体等效机械属性，及用应力/叠层失效和动态特性验证复合材料部件的设计。

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3.1. SYSPLY的市场定位

SYSPLY 是唯一一个专门用于复合材料结构设计和分析的工业有限元软件，涵盖了整个复合材料流程链的各个步骤。

从几何建模开始，SYSPLY使得工程师能对复合材料零件进行快速设计和评估。而SYSPLY的材料数据库和铺层编辑器通过对层板堆叠和等效力学性能的图形化显示使得建模更容易，SYSPLY提供了一种专门命令语言（SIL），可以对一些特定的应用提供自动化和加速数据管理。将加载条件和SYSPLY自动求解器紧密结合，进行最终校核所需的各种相关分析。 3.2 SYSPLY求解器处理的问题

SYSPLY求解器提供广泛地处理能力，它能够解决线性力学问题、非线性力学问题和动力学问题。

SYSPLY解决的线性力学问题主要是静力学问题、热力学问题（如回弹分析）、屈曲分析以及热力耦合问题。

SYSPLY解决的非线性力学问题主要是针对梁和壳单元的大位移问题。以及结构的连接接触问题（如铆接等）

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SYSPLY解决的动力学问题主要是特征模态分析、谐响应分析及模态分析。

线性分析 热应力 机械应力 第一失效层 SYSPLY 非线性分析 大变形 接触 动力学分析 特征模式 模态分析 频率响应

3.3 SYSPLY的分析流程

SYSPLY是一个完整的软件包，从几何建模划分网格，到提交分析和后处理结果显示，都可以在一个界面下完成。利用SYSPLY做复合材料结构设计分析的基本流程如下所示。

复合材料结构或CAD造型 修改 设计 修改 材料 优化材料和铺层 满足设计

后置处理显示、分析结果 建立模型 及划分网格 否 加载材料 载荷约束

建立复合材料数据库 提交分析

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3.4 SYSPLY的显著优势

1、CAD数据输入/输出和网格划分能力

SYSPLY内嵌的网格划分器能自动读入外部的CAD数据，并进行快速的几何清理和几何修复。能自动生成二维和三维网格，并以ASCII格式输出，可以对节点和单元进行分组，称为sub-groups，边界条件和载荷条件可以定义在这些sub-groups上，以后的计算变成网格无关，可以在同一个有限元输入中反复使用。 2、复合材料材料数据库管理器

SYSPLY采用了一个用于定义铺层特性的广泛的复合材料数据库，结合用户友好的操作过程和先进的可视化特性，这个材料数据库管理器大大简化了对复核材料的描述和操作：可以显示每个插入的层的方向和厚度。复合材料数据库管理器提供： ? ? ? ?

与外部数据库的交流：连续性方程可以由铺层编辑器计算得到或直接 从外部数据源输入。

基于微观力学原理的预定义均匀化程序可以计算纤维/基体等效特性（仅对单向层）：Hasin, Mixture Relation, Halpin-Tsai。

关于膜、完全和扭转的等效正交各向异性材料属性（极曲线）的图形显示。

交互的铺层编辑器用于铺层特性的定义。

3、铺层编辑器

铺层编辑器通过一个等效力学特性的连续显示来生成一个图形化的铺层布置序列。铺层是通过单层板或子铺层来建立，没有层数限制。单层板的详细信息可以马上检查，而层板在某一点的堆叠可以通过横截面来显示。

4、建模及单元形式

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广泛可用的单元（梁、壳、三维实体）能够让用户在设计过程的每一步都采用最合适的方法。

? 用户自动利用一系列专门单元，例如壳类型单元模拟薄或厚区域。 ? 对特殊计算，材料属性可以分配给实体单元，可以连同壳单元一起使用。 ? 当计算横向剪切应力时，所有相关耦合效应都包括在内。 ? 多层三维单元

3D单元

5、复合材料库

可以很方便地建立层压和夹层结构，将他们组合成复杂的材料，并将它们储存在通用的或专门的数据库中供后续使用。

6、专门的前处理

SYSPLY简化了材料和几何的关联，通过包含自动铺层和卷绕选项来集成加工过程。

? ?

8

在结构上层板的方向与铺层方向解耦，两者都可以在壳单元上用图形显示。

铺层的方向与网格关联的方向解耦，其物理方向可以用交互命令

单层板, 厚度, 纤维方向

等效弹性模量、剪切模量

=

Y-

+

X- 加工 层板操作显示 铺设

基本铺设，纤维缠绕等

基于几何的高级铺设

内/外面的比例偏置

7、材料敏感性分析

? ? ? ? ?

材料敏感性模块：所有涉及层板定义的参数

铺层材料（增强类型，…） 铺层厚度（层数） 单层参考系的铺层角

通过合并参数自动产生一组构型。为进行说明，设计者选择任何参数按一定结

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果绘图或在构型空间导航来验证优化解。 ? ?

用SYSPLY用户能够轻松访问参数化功能来进行预先设计研究。 典型工程师优化复合材料设计的需要。

8、求解器求解功能

SYSPLY提供广泛的单元种类使得用户可以在设计过程的每个阶段采用恰当的方法

? ? ?

多层二维和三维单元

包含各种耦合效应的横向剪应力计算 二维和三维单元网格组合

SYSPLY输出可以在不同的坐标系下进行：总体，局部，材料和层板。SYSPLY进行下列分析：

? 线性力学（壳和实体） ? 动力学分析

? 静力学 ? 热力学 ? 屈曲

? 特征模态 ? 谐响应 ? 模态分析

? 非线性力学（仅壳）

? 针对梁和壳单元的大位移 ? 接触

9、后处理：

SYSPLY的多物理场后处理能力为深入了解铺层的力学特性提供了方便。通过膜、弯曲和扭转模块可以研究特定的载荷条件。 多重失效准则法能提供各个连续层的等效应力值，通过显示沿厚度方向的应力值，设计人员可以快速找到危险区域，然后可以得到每一层的临界失效结果。

10、失效评估 ? ? ?

对所有单元类型的所有组件的最大应力准则。

壳/实体单元带用户自定义项的通用二次准则：Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hoffman, Hashin

依赖张/压响应的通用一次准则

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? ? ?

用于识别壳单元临界失效的多重准则方法，Hashin判据可用于区分基体和纤维失效模式。

所有准则以安全系数化（归一化）而非指数，为便于理解，可以进行理论比较（二次对最大应力、Tsai对Hashin，…）

通过层压板（对应的层）对任意点任意判据的临界值，可以用一个单条纹图对结构完整性进行快速评估。

应力、应变和恢复判据

按缺省，壳单元按每各层板的上下面计算结果处理能力： ? ? ? ?

可以提供不同参考系统下的输出结果：总体、局部、材料、层 对层压板，结果的数目按需设置

按ply orthotropy frame, laminate frame, 和element frame显示应力和应变

应力、判据和临界层板数可以用条纹图、曲线图显示。

11 优化铺层和材料

? SYSPLY包含一个专门对复合材料铺层和材料进行优化的模块—OPT。 ? 通过使用OPT，可以优化铺层的厚度、层数，从而优化重量。 ? 通过使用OPT，可以优化铺层的纤维方向。

? 通过使用OPT，可以优化材料的力学性能，从而实现选择材料的作用。

3.5 SYSPLY的行业应用及成功案例

SYSPLY是设计、分析和优化复合材料结构的专业软件，它覆盖了广泛的工程应用。复合材料提供强大的机械性能同时又减轻了结构重量。然而，复合材料的设计和加工的高成本和复杂性却常常抵消了使用这些材料带来的好处。使用SYSPLY，工程师可以在复合材料进行复杂加工之前很方便地计算其铺层特性，诸如纤维缠绕，铺层等。SYSPLY帮助工程师优化结构，并对紧迫的制造过程利用复合材料的优势。

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汽车工业

复合材料被大型汽车制造商Grand引入高技术运动汽车和F1赛车，SYSPLY让用户用它更轻松和快速产生简化模型，能开发更准确的基于叠层的模型并进行优化。使F1赛车降低25%的重量，同时增加40%的强度。

航空/航天

在投资昂贵的制造工具前，利用SYSPLY，飞机/航天工程师能更好考查大型复合材料结构的机械性能

由Prost Grand Prix授权

造船

通常是小规模制造的造船业现在更多地依赖数字模拟进行复合材料设计，SYSPLY缩短设计周期并对减少材料浪费做出共享。

由Luca Olivari授权

宝马（BMW）公司利用SYSPLY对汽车结构优化，生产出新概念复合材料跑车座椅，成功地减轻了重量，并提高了舒适度。

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SYSPLY帮助意大利Luca Olivari公司设计出高性能的高速列车驾驶室。

由Luca Olivari授权

SYSPLY 使DDE公司设计的巡航舰通风筒节省 75%的重量

SYSPLY 使DDE公司设计的双体船Carondimonio” 号在Como lake比赛中获胜。

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D.D.E.公司授权

瑞士TORAY Ind公司，利用SYSPLY设计高尔夫球杆

3.6 SYSPLY的国内主要用户

成飞公司、哈飞公司，西飞公司，611所，603所，北航，38所，621所。625所。

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4 软件性能指标

SYSPLY对硬件环境要求不高，使用PentiumⅢ 600，128M内存以上的基本没问题，操作系统需求Windows (NT4, 2000, XP)，UNIX 工作站：HP/Compaq, IBM, SGI, SUN。windows版需要视频插件Exceed6.2以上版本。

1、 SYSPLY做线性静力学分析（如在线性载荷或热载荷下的结构刚度强度分析）非常准确，其误差基本能控制在3%以内。这要比MSC.Nastran 或ANASYS误差水平稍微好一些。

2、 SYSPLY热和力耦合分析的误差能控制在8%以内，回弹分析误差可以控制在6%以内，而MSC.Nastran 或ANASYS不能做热和力耦合的分析。 3、 SYSPLY处理各种连接的非线性分析，如接触连接（螺栓连接，铰接等）和胶粘连接在静力载荷、温度载荷、瞬态载荷或耦合载荷下的失效分析等。其误差可以控制在10%以内。MSC.Nastran 或ANASYS也不能做这方面的分析。

4、 处理准确的计算各向同性材料与各向异性材料的连接。可以分析在热和力及耦合载荷下连接的失效分析。其误差可以控制在10%以内。 5、 SYSPLY可以处理梁和板单元的大变形问题，可以十分准确计算结构的特征模态。

SYSPLY这样的专用分析和评估软件主要应用在各场所的结构设计部门和强度校核部门，经过SYSPLY分析设计的结构在实验验证后，能达到90%以上的结构有效性。 5

同行业软件对比

SYSPLY提供广泛可用的单元（1D、2D、3D单元）和广泛地处理能力，它能够解决广泛的梁，板，实体结构的线性力学问题、非线性力学问题和动力学问题。它能处理普通的静力学，热力学问题，也能处理热力耦合效应下的结构分析。它能做回弹分析，能处理构件间的接触连接问题，以及模态分析等。

其与复合材料结构分析软件MSC.Nastran 和ANASYS的对比 （1）SYSPLY是一个专门做复合材料设计分析优化的工程软件，MSC.Nastran 和ANASYS是大型通用软件，复合合材料分析只是其中的一个模块。由于集成了专业经验和专用的界面，SYSPLY易学易用，比NASTRAN更适合结构设计部门使用。SYSPLY材料模型要比MSC.Nastran 和ANASYS丰富。而且MSC.Nastran 和ANASYS不能做铺层设计。

（2）SYSPLY相对同等软件如MSC.Nastran 和ANASYS在复合材料设计 分析上的优点有以下几点：

1) SYSPLY提供的最最丰富的接口，不光能将直接，或间接（通过 VISUALMESH）处理各种类型的CAD图形及网格文件，也能读取

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PAM-FORM、QUICK-FORM等成型模拟软件和FIBERSIM、CPD等铺层设计软件的结果文件。

2) 计算准确，SYSPLY是一个专业的复合材料分析软件，其铺层设

计功能使他相对同类软件具有先天优势。它提供最丰富失效判据，为用户分析结果提供全方位的对比参考。国外的广大用户反馈的信息证明SYSPLY具有非常高的准确性。

3) SYSPLY能处理广泛的单元类型，包括１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ单元，

同类软件只能处理２Ｄ单元，（ Nastran和ANASYS处理３Ｄ实体单元是在厚度方向上划分一个单元，而SYSPLY厚度方向上可以划分多个体单元）

4) 方便且强大的前后处理能力，SYSPLY可以在多个参考系下显示

结果（包括总体，局部，材料，层），可以沿厚度方向显示每层的力学特性。可以以云图、曲线、表格等显示结果。

5) SYSPLY提供多物理场的耦合处理能力，包括重力场、热力场、

加速度场等。

6) SYSPLY可以做复合材料热和力的耦合问题和回弹分析，同类软

件不能做。

7) SYSPLY可以比较准确的模态分析

具体归纳如下：

SYSPLY与通用有限元软件功能对比

项目 通用有限元 SYSPLY 材料设计 否 是 自建材料库 否 是 铺层设计 是 是 静力学分析 是 是 热力学分析 是 是 非线性分析 是 是 疲劳分析 否 是 模态分析 是 是 热膨胀分析 是 是 热传递分析 否 是 热力耦合膨胀学析 是 是 热力耦合传递分析 否 是 SOLID单元分析 否 是 SHELL单元分析 是 是 BAR单元分析 否 是 多种单元的耦合分析 否 是 接触分析 是 是 屈曲分析 是 是 宜用性 一般 较好 计算速度 一般 较好 与FIBERSIM接口 否 是 16

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SYSPLY的模块信息

SYSPLY 2009的模块信息 VTS-E-01-2009 VTS-E-02-2009 VTS-E-25-2009 SPY-E-100-2009 SPY-E-101-2009 SPY-E-102-2009 SPY-E-02-2009 SPY-S-100-2009 SPY-S-01-2009 SPY-S-02-2009 SPY-S-07-2009 SPY-S-03-2009 SPY-S-06-2009 SPY-S-16-2009 SPY-S-17-2009 OPT-S-01-2009 OPT-E-01-2009 VTS-E-12-2009 Visual Core(1) Visual -MESH UG translator Interactive core Geometry/Mesh tools Pre-Post processors Beams Batch core Linear Statics Linear Dynamics Advanced Module(2) Advanced Dynamics Non Linear Contacts Mesh Cutter Shape distortion PAM-OPT Solver PAM-OPT Editor Visual-VIEWER for PAM-OPT applications Drapping 基本内核 面网格 UG接口 交互式操作核心模块,用于在图形界面下接受用户输入参数，并将软件的运行结果反馈给用户 几何网格划分工具 前、后处理器 梁单元模型，用于计算各种梁结构 工作台式操作批处理核心模块，用于在工作台界面下接受用户的输入参数，并将软件的运行结果反馈给用户 线性静力学计算模块，用于计算线性的静力学问题，如应力、应变、变形 线性动力学计算模块，用于计算线性的动力学问题，如固有频率、响应 高级辅设模块，用于定义构件的层合板辅设方向 非线性动力学分析模块 非线性接触分析基础模块 3维网格划分 回弹变形及残余应力计算 优化求解器 优化前处理器 优化后处理器 7 SYSPLY

支持的平台

Windows (NT4, 2000, XP)

UNIX 工作站：HP/Compaq, IBM, SGI, SUN. SYSPLY IdentificatioPlatforms* n SGI irix Standard 32 bits Operating System Requested (tested) IRIX-6.3 Required Graphic Libraries (accepted) X11 R6 Postscript F77 HPGL OpenGL TIFF 7.2.1 X11 7.2.1 Graphic Printer Fortran C Drivers Format Version Version (IRIX64-6.5) Motif 1.2.4 17

SGI irixsp Optimised IRIX64-6.5 64 bits SGI Multi irixmp Processors SMP 64 bits X11 R6 HP hpux Standard 32 bits (HPUX-11.11) HPUX-10.20 Motif 1.2.4 (Starbase) OpenGL B10.20.03 HP hpuxsp Optimised HPUX-11.11 64 bits HP Multi hpuxmp Processors SMP 64 bits COMPAQ axposf Standard 32 bits COMPAQ axposp Optimised 64 bits COMPAQ Multi axpomp Processors SMP 64 bits X11 R6 SUN sunos Standard 32 bits SUN sunsp Optimised Solaris 2.8 64 bits SUN Multi sunmp procs SMP Solaris 2.8 64 bits Solaris 2.6 (Solaris 2.8) Motif 1.2.6 (OpenGL 3.0 X11 R6 Motif 1.2 X11 Postscript XGL HPGL F90 6.1 F90 5.2 X11 Postscript XGL HPGL F77 3.0.1 3.0.1 Tru64-5.0 (Tru64-5.1) 1.2.4(Open3D HPGL (Tru64-5.0) OpenGL 4.96) TIFF Tru64-5.0 (Tru64-5.1) X11 R6 X11 Postscript HPGL TIFF OSF1-4.0.f X11 R6 Motif X11 Postscript F77 5.4A F77 5.4A 6.4 HPUX-11.11 X11 R6 Motif 2.4 OpenGL B11.00.06 X11 Postscript HPGL TIFF F90 X11 Postscript HPGL TIFF B10.20.02 B10.20.02 F77 IRIX64-6.5 Postscript F77 HPGL 7.3.1.3m Motif 1.2.4 OpenGL TIFF 7.3.1.3m X11 R6 X11 F77 7.3.1.3m 7.3.1.3m OpenGL OpenGL B11.11.04 B11.01.42 A11.11.04 B11.01.42 F90 Motif 1.2.4 OpenGL 6.4 F77 5.4A 6.4 1.1.1) XGL OpenGL TIFF (OpenGL 1.2) OpenGL TIFF 6.1 5.2 18

IBM aix rs6000 Standard 32 bits IBM aixsp rs6000 Optimised 64 bits BM rs6000 aixmp Multi Procs SMP 64 bits Windows NT4 SP5 PC Intel 32 Win32x86 Tested bits Windows 2000 * 32 bits : 内存寻址能力为32 bits 64 bits : 内存寻址能力为64 bits

Hummingbird Exceed and Exceed 3D 6.2 (minimum) X11 Postscript Visual HPGL TIFF Fortran 6.0 Visual C++ 6.0 5.1 4.1.5 (4.3) X11 R5 Motif 1.2.4 1.1.1) X11 R6 Motif 2.1 X11 X11 Postscript HPGL TIFF xlf 3.2.5 3.1.4 (OpenGL OpenGL Postscript 5.1 HPGL OpenGL TIFF OpenGL 1.2.1 xlf 7.0.1 XLC 5.0.2 xlc 5.0.2 xlf 7.0.1 8 实例介绍

油罐分析说明

这个例子展示了获得储油罐有限元分析的步骤。这个罐是受到内部压强和沿厚度方向分布的热梯度作用的容器。

这里研究的是热力学情形。我们关注的是两个载荷组合引起的罐的变形形状。 结构的几何尺寸描述如下：

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Part及它的复合材料、载荷都是对称的。 输入数据文件是：

材料性能

本例突出SYSPLY的性能以创建和分析复合层合板s，这意味着层合板s被子层合板s所搁置。

子层合板s是：

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最终的层合板是：总厚度为26.6mm。

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材料覆盖步骤

必须实施下面步骤以便获得覆盖/缠绕操作并且赋予复合材料。 1－ 壳法向轴的确认

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2－壳法向轴的再定位

3－层合板的配置及偏移的定义

4－材料X-Mat轴的配置

边界条件

储油罐在以下方面表现出对称性：

仅可以考虑罐的上面part的对称及模型。对称条件足以使得结构稳定。

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X-Mat方向覆盖显示

对称载荷及内部压力载荷显示 载荷

两个载荷：

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? 罐内面的单元压强为P=1Mpa ? 厚度上的热梯度为200度 结果按照组合载荷后处理。

为了显示二次规范，不要采用GUI中的载荷合并。在本例中应用的线性关系对于这种规范计算无效。在重新求解相之后有必要仔细检查语言进程控制的中间阶段。定义线性组合的信息按下面格式给出：

其中Ci是作用在载荷ni上的乘数因子。 结果

组合载荷引起的part变形

结构上的最大Tsai-Wu准则系数：

对于每个载荷，最大Tsai-Wu规范比门槛值1低。

对于组合载荷，Tsai-Wu规范大于1，这意味着临界面积必须被增强： － 添加增强体，提高层的厚度，优化纤维取向等等

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输入数据文件

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cbso.html