在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)材料的工程常數(shù)是一組非常重要的特性參數(shù)。必須確保程序輸入的材料的工程常數(shù)的準(zhǔn)確性，才能保證有限元分析結(jié)果的正確性和有效性。對(duì)于簡(jiǎn)單的各向同性材料，可看作每一個(gè)平面都是對(duì)稱面，每一個(gè)方向都是彈性對(duì)稱軸，也即其體內(nèi)每一點(diǎn)的任意方向上的彈性性質(zhì)都相同。因此，對(duì)于各向同性材料，彈性常數(shù)對(duì)任意正交坐標(biāo)系是不變的。而各向異性材料最突出的特點(diǎn)，就是它的方向性，各向異性材料的彈性系數(shù)是方向的函數(shù)，它們和坐標(biāo)的取向有關(guān)。

       在利用ANSYS有限元程序?qū)w維增強(qiáng)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，遇到了如何正確確定復(fù)合材料彈性常數(shù)的問題。因?yàn)槎鄬訌?fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)中，不同的纏繞層有不同的纏繞方向，也就是不同的纖維纏繞層有不同的材料坐標(biāo)系。而復(fù)合材料與均質(zhì)各向同性材料的主要本質(zhì)差別在于：即使在宏觀上看，也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)各向異性，尤其纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各向異性特性顯得更加強(qiáng)烈。即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同的坐標(biāo)方向上有不同的彈性特性。

       通過材料實(shí)驗(yàn)所得到的是材料主軸坐標(biāo)方向上的彈性系數(shù)值，而利用ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，程序要求輸入的是與系統(tǒng)整體的求解坐標(biāo)系相一致的彈性參數(shù)。因此，對(duì)于有著不同纏繞方向的多層復(fù)合材料來說，存在將彈性系數(shù)由材料主軸坐標(biāo)系向系統(tǒng)整體坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換的問題。這種轉(zhuǎn)換并不是實(shí)際物理意義上的轉(zhuǎn)換，而是一種為簡(jiǎn)化分析過程的等效參數(shù)轉(zhuǎn)換，因此其正確性需要實(shí)際計(jì)算的驗(yàn)證。

      利用ANSYS的結(jié)構(gòu)非線性分析功能，對(duì)一復(fù)合材料纏繞殼體進(jìn)行應(yīng)力分析。殼體模型為一六層結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層為鋁內(nèi)膽層，外層為連續(xù)五層的復(fù)合材料纏繞層，前三層為碳纖維纏繞層，纏繞方向分別為環(huán)纏、螺旋纏和高角纏繞；后兩層為玻纖纏繞層，纏繞方向分別為螺旋纏繞和環(huán)向纏繞。由于殼體的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，因此選用ANSYS的軸對(duì)稱單元對(duì)其進(jìn)行分析。殼體施加內(nèi)壓載荷作用。

       計(jì)算出不同纏繞方向材料坐標(biāo)系上的工程常數(shù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的整體坐標(biāo)系上的等效的工程常數(shù)，然后按不同層分別輸入不同的工程常數(shù)值，利用ANSYS的非線性功能分別在不同內(nèi)壓載荷作用下進(jìn)行求解，最后得到各個(gè)層的應(yīng)力值分布。

       由圖可以看出，每個(gè)單層內(nèi)部的應(yīng)力水平接近，而不同層間的應(yīng)力具有不同的應(yīng)力水平；這種應(yīng)力的分布規(guī)律也是符合纖維的不同纏繞方向的。用ANSYS分析的結(jié)果和與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行比較，其吻合程度較好。因此，這就充分證明，對(duì)于材料主軸方向不一致的各向異性材料組成的這種層狀結(jié)構(gòu)，利用坐標(biāo)變換的方法對(duì)其工程常數(shù)進(jìn)行等效變換是可行的