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1、ANSYS 梁壳单元及其在 FEA 中的应用作者：安世亚太 马骏ANSYS 功能强大的梁壳单元是 ANSYS 的特色之一，在有限元 仿真分析中使用 ANSYS提供的梁壳单元，能大大提高求解效率并能保证工程精度要求。 一 梁单元特性及应用 梁单元用来建立三维结构的数学上理想化的一维有限元模型，与实体单元和壳单元相比，使用梁单元可以提高求解效率。ANSYS 提供了多种梁单元库以适应不同的需要，其中Beam44 为 3-D 渐变非对称截面梁， Beam188 和 Beam189 为 3-D 有限应变梁，ANSYS的梁单元在非线性分析方面具有先进性和鲁棒性的独特优势。 13D 真实描述 梁单元在空间上
2、是一维的线单元，单元特性和截面属性是相互独立的，通过指定截面编号，一维的梁单元就可以描述真实的三维空间结构，并且 ANSYS 可以以三维的形式显示分析结果。ANSYS 提供了 11 种常用的截面形状，并允许用户定制截面形状，用户可以利用二维建模的方式创建新截面，并可以把定制的截面形状保存在截面形状库中。 2变截面梁 ANSYS 允许定义任意截面形状，允许单元的每一端具有不同的不对称几何形状，并允许其端节点从梁的中心轴偏移。 3梁单元的预应力 ANSYS 的梁单元可以考虑预应力产生的应力刚化效应。所谓应力刚化效应对于梁单元来说就是轴向应力引起的垂直轴向的刚度变化。 4复合材料截面 ANSYS 可
3、以定义任意几何形状由多个各向同性材料组成的横截面，可以用来模拟层状复合材料梁，长纤维增强复合材料梁和传感器等。 5考虑剪切变形和翘曲的影响 ANSYS 的梁单元基于铁木辛柯梁理论，在平面假设的基础上可以考虑剪切变形的影响。ANSYS 的梁单元还可以考虑非圆截面梁扭转时产生的翘曲影响，这时每个端节点有 7 个自由度，包括 3 个平动，3 个转动和一个翘曲自由度。Shell188 和 Shell189 单元不仅能模拟直梁的弯曲剪切响应，而且能模拟横向扭转屈曲行为（特征屈曲和非线性崩塌）。 6支持非线性材料本构模型 ANSYS 的梁单元支持弹性（线弹性和非线性弹性），塑性和蠕变等材料本构模型。 二
4、壳单元特性及应用 壳单元用来创建三维结构的二维理想化模型，用壳单元模拟壳状结构比用实体单元具有更高的计算效率。ANSYS 提供了功能强大的壳单元，如 3-D 有限应变壳单元 Shell181，具有更鲁棒的非线性分析能力，在横截面数据定义和分析结果查看方面也有很大提高。Shell131 和 Shell132 为 3-D 层状壳单元，并具有面内和厚度方向的热传导能力。 1横向剪切 Shell181 可以考虑横向剪切变形效应，假设剪应变遵守 Bathe-Dvorkin 公式，横向剪切刚度为一阶张量，用户可以自己定义横向剪切刚度各分量，这对分析三明治壳体结构很有效。2支持非线性材料本构模型 ANSYS
5、 的壳单元支持弹性（线弹性和非线性弹性），塑性和蠕变材料本构模型。 3层状复合材料结构 ANSYS 的壳单元可以模拟层合板复合材料结构或三明治结构，分析精度由一阶剪切变形理论（Mindlin-Reissner 理论）控制。每层材料具有任意的厚度、材料性质、材料方向和失效准则等，定义方便。对分析类型没有限制，可进行静力、动力、线性和非线性分析，并能以三维真实形状显示分析结果，逐层查看纤维排布和分析结果。 4复杂壳截面的定义 ANSYS 允许定义变厚度的壳体结构，通过表格函数的形式定义空间任一位置的厚度。 5Solid-shell（实体壳）单元 Solsh190 为 3-D8 节点实体壳单元，是一
6、种看上去象实体的壳单元，可以模拟从薄到中等厚度的壳结构，薄壳结构无需抽中面，直接划分单元，只需一层 Solid-shell 单元，并能保证精度。在横截面厚度急剧变化的结构中，用 Solid-shell 单元连接其他实体单元可以保证收敛和求解精度。这种结构航空工业中是较常见的结构形式，如蒙皮和结构连接件。该单元支持超弹性，塑性和蠕变等非线性材料本构模型，还支持大变形，大应变和应力刚化效应。 三 结论 ANSYS 的梁、壳单元库提供了类型丰富的单元用来模拟工业中常见的各种梁和薄壁壳体结构，ANSYS 的梁壳单元不仅可以模拟弹性和小变形的线性行为，而且可以模拟各种材料非线性（如超弹性、塑性、蠕变等）、几何非线性行为（如大变形和应力刚化等）和动力学行为。使用 ANSYS 的梁、壳单元，可以在保证工程精度要求的前提下，大大提高分析效率。(end)
