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1、. . . .ANSYS中单元类型介绍和单元的选择原则ANSYS中单元类型的选择初学ANSYS的人,通常会被ANSYS所提供的众多纷繁复杂的单元类型弄花了眼,如何选择正确的单元类型,也是新手学习时很头疼的问题。类型的选择,跟你要解决的问题本身密切相关。在选择单元类型前,首先你要对问题本身有非常明确的认识,然后,对于每一种单元类型,每个节点有多少个自由度,它包含哪些特性,能够在哪些条件下使用,在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述,要结合自己的问题,对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。1.该选杆单元(Link)还是梁单元(Beam)?这个比较容易理解。杆单元只能承受沿着杆件方向的
2、拉力或者压力,杆单元不能承受弯矩,这是杆单元的基本特点。梁单元则既可以承受拉,压,还可以承受弯矩。如果你的结构中要承受弯矩,肯定不能选杆单元。对于梁单元,常用的有beam3,beam4,beam188这三种,他们的区别在于:1)、beam3是2D的梁单元,只能解决2维的问题。2)、beam4是3D的梁单元,可以解决3维的空间梁问题。3)、beam188是3D梁单元,可以根据需要自定义梁的截面形状。(常规是6个自由度,比如是用于桁架等框架结构,如鸟巢,飞机场的架构)2.对于薄壁结构,是选实体单元还是壳单元?对于薄壁结构,最好是选用shell单元,shell单元可以减少计算量,如果你非要用实体单元
3、,也是可以的,但是这样计算量就大大增加了。而且,如果选实体单元,薄壁结构承受弯矩的时候,如果在厚度方向的单元层数太少,有时候计算结果误差比较大,反而不如shell单元计算准确。 实际工程中常用的shell单元有shell63,shell93。shell63是四节点的shell单元(可以退化为三角形),shell93是带中间节点的四边形shell单元(可以退化为三角形),shell93单元由于带有中间节点,计算精度比shell63更高,但是由于节点数目比shell63多,计算量会增大。对于一般的问题,选用shell63就足够了。除了shell63,shell93之外,还有很多其他的shell单元
4、,譬如shell91,shell131,shell163等等,这些单元有的是用于多层铺层材料的,有的是用于结构显示动力学分析的,一般新手很少涉及到。通常情况下,shell63单元就够用了。3.实体单元的选择 实体单元类型也比较多,实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型。常用的实体单元类型有solid45, solid92,solid185,solid187这几种。其中把solid45,solid185可以归为第一类,他们都是六面体单元,都可以退化为四面体和棱柱体,单元的主要功能基本相同,(SOLID185还可以用于不可压缩超弹性材料)。Solid92, solid187可以归为第二类,他们都
5、是带中间节点的四面体单元,单元的主要功能基本相同。 实际选用单元类型的时候,到底是选择第一类还是选择第二类呢?也就是到底是选用六面体还是带中间节点的四面体呢?如果所分析的结构比较简单,可以很方便的全部划分为六面体单元,或者绝大部分是六面体,只含有少量四面体和棱柱体,此时,应该选用第一类单元,也就是选用六面体单元;如果所分析的结构比较复杂,难以划分出六面体,应该选用第二类单元,也就是带中间节点的四面体单元。新手最容易犯的一个错误就是选用了第一类单元类型(六面体单元),但是,在划分网格的时候,由于结构比较复杂,六面体划分不出来,单元全部被划分成了四面体,也就是退化的六面体单元,这种情况,计算出来的
6、结果的精度是非常糟糕的,有时候即使你把单元划分的很细,计算精度也很差,这种情况是绝对要避免的。六面体单元和带中间节点的四面体单元的计算精度都是很高的,他们的区别在于:一个六面体单元只有8个节点,计算规模小,但是复杂的结构很难划分出好的六面体单元,带中间节点的四面体单元恰好相反,不管结构多么复杂,总能轻易地划分出四面体,但是,由于每个单元有10个节点,总节点数比较多,计算量会增大很多。前面把常用的实体单元类型归为2类了,对于同一类型中的单元,应该选哪一种呢?通常情况下,同一个类型中,各种不同的单元,计算精度几乎没有什么明显的差别。选取的基本原则是优先选用编号高的单元。比如第一类中,应该优先选用s
7、olid185。第二类里面应该优先选用solid187。ANSYS的单元类型是在不断发展和改进的,同样功能的单元,编号大的往往意味着在某些方面有优化或者增强。对于实体单元,总结起来就一句话:复杂的结构用带中间节点的四面体,优选solid187,简单的结构用六面体单元,优选solid185。土木计算过程中常用的单元和材料类型!一、单元 (1)link(杆)系列: link1(2D)和link8(3D)用来模拟珩架,注意一根杆划一个单元。 link10用来模拟拉索,注意要加初应变,一根索可多分单元。 link180是link10的加强版,一般用来模拟拉索。(2)beam(梁)系列: beam3(2
8、D)和beam4(3D)是经典欧拉梁单元,用来模拟框架中的梁柱,画弯据图用etab读入smisc数据然后用plls命令。注意:虽然一根梁只划一个单元在单元两端也能得到正确的弯矩图,但是要得到和结构力学书上的弯据图差不多的结果还需多分几段。该单元需要手工在实常数中输入Iyy和Izz,注意方向。 beam44适合模拟薄壁的钢结构构件或者变截面的构件,可用/eshape,1显示单元形状。 beam188和beam189号称超级梁单元,基于铁木辛科梁理论,有诸多优点:考虑剪切变形的影响,截面可设置多种材料,可用/eshape,1显示形状,截面惯性矩不用自己计算而只需输入截面特征,可以考虑扭转效应,可以
9、变截面(8.0以后),可以方便地把两个单元连接处变成铰接(8.0以后,用ENDRELEASE命令)。缺点是:8.0版本之前beam188用的是一次形函数,其精度远低于beam4等单元,一根梁必须多分几个单元。8.0之后可设置“KEYOPT(3)=2”变成二次形函数,解决了这个问题。可见188单元已经很完善,建议使用。beam189与beam188的区别是有3个结点,8.0版之前比beam188精度高,但因此建模较麻烦,8.0版之后已无优势。(3)shell(板壳)系列 shell41一般用来模拟膜。 shell63可针对一般的板壳,注意仅限弹性分析。 它的塑性版本是shell43。 加强版是s
10、hell181(注意18*系列单元都是ansys后开发的单元,考虑了以前单元的优点和缺陷,因而更完善),优点是:能实现shell41、shell63、shell43.的所有功能并比它们做的更好,偏置中点很方便(比如模拟梁版结构时常要把板中面望上偏置),可以分层,等等。(4)solid(体)系列 土木中常用的就solid45、46、65、95等。 45就不用多说了,95是它的带中结点版本。 solid46可以容忍单元的长厚比达到20比1,可以用来模拟钢板碳纤维板钢管等。 solid65是专门的混凝土单元,可以考虑开裂,这个讨论得很多了,清华的陆新征写的一个讲义()里面有详细解释。(5)combi
11、n(弹簧)系列 常用的有7、14、39、40等。 7可以用来模拟铰接点。14是最简单的带阻尼弹簧。39是非线性弹簧,在实常数中可以灵活定义力位移关系,可用来模拟钢筋与混凝土的粘结滑移等。40可模拟隔震结构(据说)。(6)contact(接触)系列 常用的有conta52,可用来模拟橡胶垫支座。这个很简单,可以用命令流添加(eintf)。TARGE16*和CONTA17*系列可用接触向导添加,三维的接触往往会造成收敛困难,和混凝土非线性分析一样,需要凭经验调参数反复试算。二、材料 弹性部分(必需)用MP命令输入,非线性部分用TB命令输入。(1)TB,DP 即Drucker-Prager模型,an
12、sys中唯一用来模拟土的模型。可以和几乎所有单元类型(2维和3维)配合使用,所以有时也会在计算2维的混凝土模型时用到它。(2)TB,CONCR 用来模拟混凝土,采用w-w五参数破坏准则,只能和solid65配合使用。同样参见陆新征的讲义。(3)TB,BKIN(BISO,MKIN,MISO) 一般用来模拟钢材。 双线形随动强化(双线形等向强化、多线形随动强化、多线形等向强化)模型。 顾名思义,双线形和多线形的区别就是应力应变曲线是两段还是很多段;随动强化和等向强化的区别就是考不考虑包辛格效应。 如果不和其他准则配合的话,默认是von mises屈服准则。单元类型选择概述:ANSYS的单元库提供了
13、100多种单元类型,单元类型选择的工作就是将单元的选择范围缩小到少数几个单元上;单元类型选择方法:1.设定物理场过滤菜单,将单元全集缩小到该物理场涉及的单元;2.根据模型的几何形状选定单元的大类,如线性结构则只能用“Plane、Shell”这种单元去模拟;3.根据模型结构的空间维数细化单元的类别,如确定为“Beam”单元大类之后,在对话框的右栏中,有2D和3D的单元分类,则根据结构的维数继续缩小单元类型选择的范围;4.确定单元的大类之后,又是也可以根据单元的阶次来细分单元的小类,如确定为“Solid-Quad”,此时有四种单元类 型:Quad 4node 42 Quad 4node 183 Q
14、uad 8node 82 Quad 8node 183 前两组即为低阶单元,后两组为高阶单元;5.根据单元的形状细分单元的小类,如对三维实体,此时则可以根据单元形状是“六面体”还是“四面体”,确定单元类型为“Brick”还是“Tet”;6.根据分析问题的性质选择单元类型,如确定为2D的Beam单元后,此时有三种单元类型可供选择,如下:2D elastic 3 2Dplastic 23 2D tapered 54,根据分析问题是弹性还是塑性确定为“Beam3”或“Beam4”,若是变截面的非对称的问题则用“Beam54”。7.进行完前面的选择工作,单元类型就基本上已经定位在2-3种单元类型上了,
15、接下来打开这几种单元的帮助手册,进行以下工作:仔细阅读其单元描述,检查是否与分析问题的背景吻合、了解单元所需输入的参数、单元关键项和载荷考虑;了解单元的输出数据;仔细阅读单元使用限制和说明。Mass21是由6个自由度的点元素,x,y,z三个方向的线位移以及绕x,y,z轴的旋转位移。每个自由度的质量和惯性矩分别定义。Link1可用于各种工程应用中。根据应用的不用,可以把此元素看成桁架,连杆,弹簧,等。这个2维杆元素是一个单轴拉压元素,在每个节点都有两个自由度。X,y,方向。铰接,没有弯矩。Link8可用于不同工程中的杆。可用作模拟构架,下垂电缆,连杆,弹簧等。3维杆元素是单轴拉压元素。每个点有3个自由度。X,y,z方向。作为铰接结构,没有弯矩。具有塑性,徐变,膨胀,应力强化和大变形的特性。Link10 3维杆元素,具有双线性劲度矩阵的特性,单向轴拉(或压)元素。对于单向轴拉,如果元素变成受压,则硬度就消失了。此特性可用于静力钢缆中,当整个钢缆模 拟成一个元素时。当需要静力元素能力但静力元素又不是初始输入时,也可用于动力分析中。该元素是shell41的线形 式,keyopt(1)=2,cloth选项。如果分析的目的是为了研究元素的运动,(没有静定元素),可用与其相似但不能松弛的元素(如link8 和pipe5