📚 课程目录第3章 ACP前处理实战

3. ACP前处理实战

本节以一块典型的层合板为例，完整走通 ACP 前处理流程：从工程常数定义、铺层创建、参考方向设置，到实体模型生成与网格划分。示例对象取 300 mm × 200 mm 的矩形平板，共 8 层，铺层顺序为 [0/45/-45/90]s，单层厚度 0.125 mm，总厚度 1.0 mm。所有数值均为教学示例，实际项目需按材料数据表替换。

一、材料定义：从工程常数到 ACP 可识别的数据

ACP 本身不求解，它把铺层信息映射到 ANSYS 的壳单元或实体单元上，因此材料必须先在 Engineering Data 中定义。对单向带（UD）层，需要输入正交各向异性工程常数：E1、E2、E3、ν12、ν13、ν23、G12、G13、G23，以及密度。示例取碳纤维/环氧单向带：E1 = 135 GPa，E2 = E3 = 10 GPa，ν12 = ν13 = 0.30，ν23 = 0.45，G12 = G13 = 5 GPa，G23 = 3.5 GPa，ρ = 1.6e-9 t/mm³。注意 ANSYS 默认使用一致单位制，若长度用 mm、力用 N，则应力为 MPa、密度为 t/mm³，否则后续质量与频率结果会整体错位。

在 Engineering Data 中新建 Orthotropic Elasticity，逐项填入上述常数；再添加 Density 与（若做强度校核）Puck 或 Tsai-Wu 强度准则所需的 Xt、Xc、Yt、Yc、S 等参数。材料命名建议带铺层信息，例如 UD_CFRP_0.125mm，便于在 ACP 中快速识别。若同一层合板含织物层，需另建一套材料，不能混用单向带常数。

二、ACP 模块搭建与铺层创建

在 Workbench 中拖入 ACP (Pre) 模块，与 Static Structural 共享 Engineering Data 和 Geometry。进入 ACP 后，先定义 Rosette（参考方向），再定义 Oriented Selection Set（定向选择集），最后在 Modeling Ply 中逐层指定角度与厚度。核心逻辑是：Rosette 决定 0° 方向，Oriented Selection Set 决定铺层铺在哪个面、沿哪个方向排布，Modeling Ply 决定每层的角度与厚度。

示例中，在平板几何上创建一个 Rosette，原点置于板角，X 轴沿 300 mm 长边，Y 轴沿 200 mm 短边，Z 轴为板法向。随后建立 Oriented Selection Set，选择板的顶面作为参考面，方向沿 Rosette 的 Z 轴。接着依次创建 8 个 Modeling Ply：第 1 层 0°、第 2 层 45°、第 3 层 -45°、第 4 层 90°，第 5 至 8 层为前四层的镜像，即 90°、-45°、45°、0°，每层厚度 0.125 mm。ACP 会自动按顺序堆叠，形成对称层合板。

角度正负号约定：以 Rosette 的 X 轴为 0°，绕 Z 轴逆时针旋转为正。若 Rosette 方向改变，同一角度值的实际纤维方向也会改变，因此 Rosette 必须在铺层前确定并全文一致。

三、参考方向与铺层顺序的图形化核对

铺层定义完成后，不要急于生成实体。先在 ACP 中打开 Ply 的纤维方向显示，逐层检查角度是否与设计一致。常见错误包括：Rosette 的 X 轴取错边、Oriented Selection Set 选错面、角度正负号与图纸相反。下图给出本节示例的铺层堆叠与参考方向关系，可作为核对依据。

四、生成实体模型与网格

铺层核对无误后，在 ACP 中执行 Solid Model 生成。ACP 会根据每层厚度与铺层顺序，把壳参考面偏置成三维实体，形成 8 层堆叠的实体几何。此时需注意：实体模型是 ACP 内部生成的，不是原始 CAD 几何；若后续要回到 Mechanical 中做接触或螺栓连接，应确认实体模型的面与原始几何的对应关系。

网格划分在 ACP 中通过 Mesh 节点完成。示例采用四边形主导网格，全局尺寸 5 mm，板边 300 mm 方向约 60 个单元，200 mm 方向约 40 个单元，厚度方向每层 1 个单元，共 8 个实体单元层。若使用壳单元方案，则厚度方向不划网格，而是通过 Section 定义铺层，计算量更小，但厚度方向应力需后处理恢复。两种方案的选择依据是：关注层间应力或冲击损伤时用实体单元；只做整体刚度、屈曲或模态分析时用壳单元即可。

示例网格参数（教学假设）：
全局单元尺寸：5 mm
单元类型：SOLID186（实体方案）/ SHELL181（壳方案）
厚度方向单元数：8（每层1个）
总单元数估算：60 × 40 × 8 ≈ 19200（实体方案）
边界条件：一端固支，另一端施加 1000 N 拉伸载荷

五、从 ACP 到 Mechanical 的数据传递与检查

完成网格后，将 ACP (Pre) 的结果传递到 Static Structural。在 Mechanical 中，铺层信息以 Section 和 Coordinate System 的形式存在，可通过 Solution 中的 Layer 查看每层应力。检查要点有三：一是材料方向是否与 ACP 中显示一致，可在 Mechanical 中打开 Element Orientation 核对；二是总厚度是否等于 8 × 0.125 = 1.0 mm，若不等说明某层厚度输入有误；三是网格质量，实体方案下需检查 Jacobian Ratio 与 Aspect Ratio，厚度方向单元过扁时可能影响弯曲精度。

常见排障：若 ACP 中铺层显示正常但 Mechanical 中方向错乱，优先检查 Rosette 是否被正确引用；若实体模型生成失败，检查 Oriented Selection Set 是否选到了非平面或曲率过大的面；若网格划分报错，确认几何是否已被 ACP 的实体模型替换，避免在原始壳面上重复划网。

至此，前处理闭环完成：材料常数 → Rosette → Oriented Selection Set → Modeling Ply → Solid Model → Mesh → 传递到 Mechanical。后续求解与后处理将在此基础上展开，本节的重点是确保每一步的输入可追溯、方向可核对、厚度可验证。