1  

Guide for Exercise 11 in Course on Mechanics of Composite Materials and Structures, 

2012 ‐ FEA of Laminated Composite Structures using ANSYS 

By Erik Lund, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, Aalborg University  A (±45, 0)S carbon/epoxy (AS/3501) laminate is subjected to a biaxial load Px = −10

5 [N/m], Py = −5 ∙ 104 [N/m]. The 

thickness of each ply is 0.1 mm. The mechanical properties used in Exercises 5, 6, 7, and 8 are reused.  First start ANSYS: choose “Mechanical APDL Product Launcher” in the ANSYS menu and define job name and work 

directory. Make sure the “ANSYS” simulation environment and “ANSYS Academic Teaching Advanced” license are chosen. 

By “Preprocessor > Element Type > Add” we select the element to use as the 4‐node shell element SHELL181. 

Alternatively, we could use SHELL281, but for this plane example with constant stress state, the element choice is of less 

importance. The following options for the element are changed: Keyoption 3 (Integration option) is set to “Full w/ 

incomptible modes” instead of the default "Reduced integration”, and Keyoption 8 (Storage of layer data) is changed to 

“All layers”. 

 

Next material properties are defined: “Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models > Structural > Linear 

> Elastic > Orthotropic” and you enter the material data. As default you enter the major Poisson's ratio (PRXY, etc.). It is a 

good idea also to define the density (1470 kg/m3) for the laminate. 

 

2  

We will also evaluate failure criteria, so all strength data used must be defined using “Main Menu > Preprocessor > 

Material Props > Failure Criteria”: 

 

Note that tension values must be defined as positive and compression values as negative. Inputting a large number (here 

1E12  for  stresses  and  1  for  strains)  simply  indicates  “infinite  strength”  in  that direction  and  consequently  cancels  the 

contribution  from stresses and strains  in that direction. This  is particularly useful  for plane analyses as  in this example.  

NOTE!!! The stress coupling coefficients (‐1 in this example) must be entered as Cxy, which is twice the value of F*xy, i.e. Cxy 

= 2F*xy. 

Next the layup of the 6‐layered shell is defined using “Main Menu > Preprocessor > Sections > Shell > Lay‐up > Add”: we 

define thickness, material number and orientation for all six layers. 

 

3  

Please note that the section can be offset from the mid‐plane (by choosing Top‐Plane, Bottom‐Plane or User‐Input‐

Location). 

With the tab “Section Controls” you can override the default section properties computed by ANSYS like shear correction 

factors, hourglass stiffnesses, etc., and with the tab “Summary” you can check the properties of the section defined: 

 

Using the menu “Main Menu > Preprocessor > Sections > Shell > Lay‐up > Plot Section” we get the following plot: 

 

Later on you may generate similar plots for the layup of a given element by using the menu “Utility Menu > Plot > Layered 

Elements”. 

Using the menu “Main Menu > Preprocessor > Sections > List Sections” you actually get all the section data computed by 

ANSYS which is really convenient: 

4  

 

Thus, ANSYS has computed the following ABD-matrices:

0.459029E+08 0.130232E+08 0.116415E-09 -0.454747E-12 0.00000 -0.284217E-13 0.130232E+08 0.199706E+08 -0.116415E-09 0.00000 0.568434E-13 0.284217E-13 0.116415E-09 -0.116415E-09 0.156536E+08 -0.284217E-13 0.284217E-13 -0.113687E-12 -0.454747E-12 0.00000 -0.284217E-13 0.879409 0.542610 0.259323 0.00000 0.568434E-13 0.284217E-13 0.542610 0.792968 0.259323 -0.284217E-13 0.284217E-13 -0.113687E-12 0.259323 0.259323 0.621523  

Using our Matlab code for Exercise 8, the following stiffness matrix (ABD) of the symmetric laminate is 

obtained: 

 

Thus, the results for the ABD‐matrices are seen to be in complete agreement, except for round‐off errors. 

5  

Next we define the plate by using “Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By Dimensions” 

and we define a plate of unit size in the x‐y plane. 

 

Using “Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool” we create a 3 x 3 mapped mesh. It is important to notice, that 

all element coordinate systems are generated according to the currently active coordinate system! In this example, we will 

use the global Cartesian coordinate system (number 0) as our element coordinate system, and thus the material angle for 

each layer is related to the angle in the global x‐y system. Using “Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool” we 

can select a given area and change the definition of area attributes (including the element coordinate system). 

 

 

When defining shell elements, it is important to know the orientation of the areas. ANSYS visualizes the top surface of an 

area using the color green whereas the bottom surface is purple. You may also plot the normal vector to the areas in order 

to ensure correct orientation. Use “Utility Menu > PlotCrtls > Symbols”, activate “ADir Area Direction” and plot the area 

using “Utility Menu > Plot > Areas”‐ 

The wireframe mode of ANSYS may be convenient when plotting vectors on the model. Using “Utility Menu > PlotCrtls > 

Device Options” you may activate “Vector mode (wireframe)”. The area normals are plotted both using the standard and 

the wireframe mode: 

6  

                                

We introduce simple supports on the left edge using the menu “Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply 

> Structural > Displacement > On Line” where Ux is chosen, next the lower edge is fixed in the y‐direction, and finally the 

lower left corner is fixed for all DOF's using “Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > 

Displacement > On Keypoints”. 

Finally, the tensile loads applied at the edges are defined. The loads Px = −105 [N/m] and Py = −5 ∙ 10

4 [N/m] are defined 

using the menu “Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Line”. Shell edge 

pressures are input as load per unit length, i.e., we can directly input the values specified (without minus as a pressure per 

definition is positive towards the edge/surface). 

 

7  

Finally, let us plot the element coordinate system. If we want to have the number of the element coordinate system 

plotted on the elements, then we use the menu “Utility Menu > PlotCtrls > Numbering” and under “Elem / Attrib 

numbering” we select “Element CS num”. 

Here we will plot the element coordinate systems instead. We select “Utility Menu > PlotCtrls > Symbols” and activate 

“ESYS Element coordinate sys” under “[/PSYMB] Other Symbols”. Then the elements can be plotted, and the element 

coordinate systems are shown on the plot. If we had defined local coordinate systems, which we in most cases need when 

modeling layered shell structures, we would also activate “CS Local coordinate system”. 

The element coordinate systems are shown using three different colors and with x displayed as the longest leg of the triad 

(x is white, y is green, and z is blue). Sometimes it is convenient to scale the size of the coordinate systems shown, which 

can be done using “Utility Menu > PlotCtrls > Style > Vector Arrow Scaling“.  

 

If you realize, that the orientation of your coordinate systems is the opposite of what expected, you may use the menu 

“Main Menu > Preprocessor > Modeling > Move/Modify > Reverse Normals > ...” in order to reverse the normals. The 

section is defined in the normal direction, i.e., layer 1 is the bottom layer, etc. 

You may plot the fiber angles for all finite elements in layer # by using the macro fibangle.mac provided at the course 

homepage. The macro file illustrates a convenient way of making a macro in ANSYS. The file should be placed in the 

working directory or in the ANSYS main directory for macro files, typically C:\Program Files\ANSYS Inc\v140\ansys\apdl\. 

You simply enter “fibangle,#” where # is the layer number (1 to 6 in this example), and the following plot is obtained for 

layer 1 (the plot to the right is with wireframe mode activated): 

8  

    

Thus, the fiber angles seem to be okay (45 for layer 1). 

In general, it is highly recommended to use macros (also called scripts) when making finite element models of composite 

structures. This was described in detail in the finite element course.  

We solve the problem using “Solution > Solve > Current LS”, and then we can do the postprocessing. We start out by 

verifying the boundary conditions by listing the reaction forces: “General Postproc > List Results > Reaction Solu”: 

 

The reaction forces seem to be okay… 

Next we continue with the postprocessing of stresses and strains. 

   

9  

In general, you should be very careful when plotting and listing results for layered structures! 

You choose the active layer in the post‐processing by writing “layer,#”, where “#” is the layer number. 

You use “shell, loc” where “loc” is either “top”, “bot” or “mid” to control where data are plotted in contour plots. 

You have to combine these two commands in order to generate the wanted contour plots. For example, if we want to plot 

bottom values of layer 3, we write “layer,3” and “shell, bot” before making a plot of SX as shown here using “General 

Postproc > Plot Results > Contour Plot > Element Solu”: 

 

You may use the menu “General Postproc > Options for Outp” for setting these options: 

 

10  

We want direct access to the element top/bottom values for layer 3, so next we select “General Postproc > List Results > 

Element Solution” and select stresses. This generates a list where values for all nodes for each element are listed. First TOP 

values are listed for the 4 corner nodes of the element, next the BOTTOM values are listed for the same 4 corner nodes. 

 

The stresses are also listed for layer 1: 

 

If we compare with our CLT solution, we see that the results are in agreement (the Matlab results are the three inplane 

stress components with bottom and top values for each layer, i.e., 12 x 3 values in total): 

    

11  

It is not easy to get results in the material coordinate systems in ANSYS. As far as I know, you have to define a local 

coordinate system similar to the material coordinate system, and then you can select this local coordinate system as the 

active coordinate system in the post‐processing. 

For example, let us define a local coordinate system rotated 45 degrees in the x‐y plane using “Utility Menu > Workplane > 

Local Coordinate Systems > Create Local CS > At Specific Loc”: 

 

We activate bottom values in layer 1: 

 

If we now list the strains for layer 1, the following results are obtained: 

12  

 

If we compare with the CLT results for strains in the material coordinate system, we see that the results are in agreement 

for layer 1: 

 

Finally, we list the strains at the bottom of layer 3 in the global coordinate system which for layer 3 is equal to the material 

coordinate system: 

 

13  

In a similar way, you can compare the results for all 6 layers. The Matlab results for stresses in material coordinate system 

1‐2 and strains in the global coordinate system x‐y are listed here: 

               

Finally, we will compare the failure indices computed. First the Matlab results for maximum stress, maximum strain and 

Tsai‐Wu failure indices are listed: 

              

When listing the results in ANSYS, you again get the failure indices computed for each node in the active layer. The values 

listed below for layer 3 are seen to be in agreement with the Matlab values computed in Exercise 8:  

     

The failure indices for the other layers are also in agreement with the Matlab results (list the results in order to verify this). 

This concludes the guide to Exercise 11.