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1、欢迎各位来参加ANSYS进阶培训 主讲人 黄志新肖金花ANSYS公司北京办事处 培训安排 第一天单元库及常用单元 材料库 高级有限元模型技术第二天建模 加载 后处理的高级技术第三天APDL参数化分析技术 优化设计第四天非线性分析第五天ANSYSWorkbench的高级使用 单元库及常用单元 ANSYS单元类型 实体单元梁 管单元壳 膜单元杆 索单元弹簧元接触单元表面效应单元质量单元mesh200 单元类型 常用单元的形状 点 质量 线 弹簧 梁 杆 面 薄壳 二维实体 轴对称实体 线性 二次 体 三维实体 线性 二次 在单元手册中 ANSYS单元库有200多种单元类型 其中许多单元具有好几种可
2、选择特性来胜任不同的功能 具体单元名称 单元图示 ANSYS单元名称 单元特性 类别 编号 单元类型 在结构分析中 结构的应力状态决定单元类型的选择 选择维数最低的单元去获得预期的结果 尽量做到能选择点而不选择线 能选择线而不选择平面 能选择平面而不选择壳 能选择壳而不选择三维实体 对于复杂结构 应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型 可以建立简单模型 对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨 单元类型 主要单元类型举例 线单元 Beam 梁 单元是用于螺栓 杆 薄壁管件 C形截面构件 角钢或者狭长薄膜构件 只有膜应力和弯应力的情况 等模型 Spar 杆 单元是用于弹簧 螺杆 预应力
3、螺杆和薄膜桁架等模型 Spring单元是用于弹簧 螺杆 或细长构件 或通过刚度等效替代复杂结构等模型 单元类型 主要单元类型举例 X Y平面单元 在整体笛卡尔X Y平面内 模型必须建在此面内 有几种类型的ANSYS单元可以选用 其中任何一种单元类型只允许有平面应力 平面应变 轴对称 或者谐结构特性 O K N J M P L I I J K L O P N M TriangularOption Y orAxial X orRadial 单元类型 平面应力假定在Z方向上的应力为零 主要有以下特点 当Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上的尺寸才有效 所有的载荷均作用在XY平面内 在Z方向上存在应
4、变 运动只在XY平面内发生 允许具有任意厚度 Z方向上 平面应力分析是用来分析诸如承受面内载荷的平板 承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构 单元类型 主要单元类型举例 平面应变假定在Z方向的应变为零 主要具有以下特点 当Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上的尺寸才有效 所有的载荷均作用在XY平面内 在Z方向上存在应力 运动只在XY平面内发生 平面应变分析是用于分析那种一个方向的尺寸 指定为总体Z方向 远远大于其它两个方向的尺寸 并且垂直于Z轴的横截面是不变的 单元类型 主要单元类型举例 轴对称假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360o形成的 管 锥体 圆板 圆顶盖 圆盘等 对称轴
5、必须和整体Y轴重合 不允许有负X坐标 Y方向是轴向 X方向是径向 Z方向是周向 周向位移是零 周向应变和应力十分明显 只能承受轴向载荷 所有载荷 Hoop 单元类型 主要单元类型举例 谐单元将轴对称结构承受的非轴对称载荷分解成傅立叶级数 傅立叶级数的每一部分独立进行求解 然后根据再合并到一起 谐单元较常用于单一受扭或受弯的分析求解 其中受扭和受弯对应于傅立叶级数的第1和第2项 单元坐标系 显示的是KEYOPT 1 0情形 O K J M P L I I J K L O P N M TriangularOption y x N 单元类型 主要单元类型举例 谐单元 举例 假定一承受剪力 弯矩 和
6、或者扭矩的轴 轴上的扭矩以傅立叶级数的一项施加到轴上 这时 除了扭矩外 事实上是一般的轴对称问题 弯矩和横向剪力可以分别作为傅立叶级数的其它两项施加到轴上 谐单元还可以用于实际当中的任意循环分布载荷 这可能需要分解成50 100项傅立叶级数才能得到满意的结果 M V T 单元类型 主要单元类型举例 主要单元类型举例 壳单元 Shell 壳 单元用于薄面板或曲面模型 壳单元分析应用的基本原则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的10倍 单元类型 三维实体单元 用于那些由于几何 材料 载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构 四面体模型在用CAD建模往往比使用专业的FEA分
7、析建模更容易 也偶尔得到使用 K R L Q O P M N J I Tetrahedronmesh Brickmesh 单元类型 主要单元类型举例 专用单元 专用单元包括接触单元 用于构件间存在接触面的结构建模 如涡轮盘和叶片 螺栓头部和法兰 电触头 以及O 圈等等 做好接触分析要求有这方面的知识和经验 单元类型 主要单元类型举例 其它可供选择的单元类型 线性单元 二次单元 p单元 一旦你决定采用平面 三维壳或者三维实体单元 还需要进一步决定采用线性单元 二次单元或P单元 线性单元和高阶单元之间明显的差别是线性单元只存在 角节点 而高阶单元还存在 中节点 下面还提到一些差别 线性单元内的位移
8、按线性变化 因此 大多数时 单个单元上的应力状态是不变的 二次单元内的位移是二阶变化的 因此单个单元上的应力状态是线性变化的 p单元内的位移是从2阶到8阶变化的 而且具有求解收敛自动控制功能 自动分析各位置上应当采用的阶数 单元类型 我们有必要讲述一下ANSYS中各线性概念之间的区别 线性分析是指不包含任何非线性影响 如 大变形 塑性 或者接触 线性方程求解器是指方程组解就是结构的自由度解 即使是非线性分析 这些方程还是线性的 但必须进行多次求解 线性单元假定单元内的自由度按线性变化 跟二次单元 三次单元 或p单元相比 单元类型 其它可供选择的单元类型 线性单元 二次单元 p单元 续 在许多情
9、况下 同线性单元相比 采用更高阶类型的单元进行少量的计算就可以得到更好的计算结果 下面是根据不同分析目的进行单元选择的情况 单元类型 其它可供选择的单元类型 线性单元 二次单元 p单元 续 在进行单元选择时应考虑的其它因素 线性单元的扭曲变形可能引起精度损失 更高阶单元对这种扭曲变形不敏感 就求解的精度的差别讲 线性单元和二次单元网格之间的差别远没有平面单元和三维实体单元网格之间的差别那么惊人之大 所以经常使用线性壳单元 高度扭曲的二次情形 非平行对边 单元类型 其它可供选择的单元类型 线性单元 二次单元 p单元 续 大多数二次单元允许忽略部分或所有边的中节点 但是 在没有中节点的边上 你只能
10、得到线性结果 如果所有中节点均不存在 该单元就变成了线性单元 计算精度也随之降低 由于转化成线性单元的二次单元和块单元具有 不相容的位移模式 并引起单元弯曲 单元类型 其它可供选择的单元类型 线性单元 二次单元 p单元 续 更高阶的单元模拟曲面的精度就越高 低阶单元 更高阶单元 单元类型 其它可供选择的单元类型 线性单元 二次单元 p单元 续 采用越来越高阶的单元 给曲线结构划分越来越稀疏的单元网格 ANSYS开始向你发出警告 甚至发出由于单元扭曲变形超过单元允许范围而引起网格划分失败的信息 其原因是 由于模型表面单元的弯曲程度过大 使部分中节点偏离了自身位置 最终决定了你能划分单元网格的稀疏
11、程度 同其它软件一样 ANSYS程序允许用更高阶的直边单元划分网格 降低了实际几何模型的精度 特别是对于p单元而言 通常极不理想 也允许用不带中节点的更高阶单元划分单元网格 即降低了几何模型的精度 又降低了单元精度 所以在通常情况下更不理想 所以 一般建议采用尽可能稀疏的单元网格 而又不至于出现形状检查警告 单元类型 其它可供选择的单元类型 线性单元 二次单元 p单元 续 不能将接触单元同具有中节点的单元连起来 仅对于节点 节点和节点 面接触单元而言 对于面 面接触单元则是允许的 类似地 在热分析问题中 不能将辐射link单元或者非线性对流表面添加到具有中节点的单元上 在非线性材料特性区域内
12、二次单元并不比线性单元更有效 单元类型 其它可供选择的单元类型 四边形单元 三角形单元 块单元 四面体单元 针对平面或者三维壳体分析模型而言 四边形单元和三角形单元是有差别的 下表列出了这些差异 单元类型 其它可供选择的单元类型 四边形单元 三角形单元 块单元 四面体单元 续 全部采用三角形单元网格是很少见的 给面进行单元网格划分的实质问题是 你是否允许模型中存在一些三角形单元网格 实际上 各处存在三角形单元会相当麻烦 但是应当仔细思考下列问题 如果采用更高阶单元 三角形单元的计算精度接近于二次单元 所以 全部采用二次单元网格也是不可能的 如果你采用线性单元 三角形单元就十分糟糕 但是 不这样
13、会使四边形单元网格扭曲 除了多数不重要的结构外 任何四边形单元网格 结构的或者非结构的 不得不包含部分形状糟糕的三角形单元网格 所以 还是不可能全部采用四边形单元 单元类型 其它可供选择的单元类型 四边形单元 三角形单元 块单元 四面体单元 续 对三维实体分析模型而言 块单元和四面体单元是有差别的 下表列出了这些差异 单元类型 其它可供选择的单元类型 四边形单元 三角形单元 块单元 四面体单元 续 建立三维实体模型需要作出下列选择 使用四面体单元划分网格采用简便方法建立实体模型 选用二次单元或者p单元 或者使用块单元划分单元网格选用块单元网格建立实体模型 通常需要花费更多时间和精力 划分子区域
14、连接处理延伸采用任何块单元 单元类型 其它可供选择的单元类型 四边形单元 三角形单元 块单元 四面体单元 续 为什么使用四面体单元划分单元网格会有这么大的困难呢 过去 有限元模型全部采用线性四面体单元网格 这种模型十分 粗糙 现在 使用二次单元和p单元的有限元模型变得相当理想了 四面体单元模型的自由度几乎是同等精度的块单元单元模型的3到10倍 迄今求解器技术取得了很大突破 大多数分析者还是没有高性能的计算机来求解无关紧要的四面体单元模型 块单元网格 125个单元216个节点 四面体单元网格 679个单元1230个节点 单元类型 其它可供选择的单元类型 四边形单元 三角形单元 块单元 四面体单元
15、 续 还有其它一些因素帮你作出选择 做接触分析 使用四面体单元划分网格时还需要进行一些处理 消除接触面上的中节点 只针对节点 节点接触单元和节点 面接触单元 而面 面接触单元则不需要 长或薄结构划分成块单元网格可能更理想 potentialcontactregion 单元类型 其它可供选择的单元类型 ANSYS分析采用的单位制 除电磁分析以外 你不必为ANSYS设置单位系统 简单地确定你将采用的单位制 然后保证所有输入数据均采用该种单位制就可以 即 ANSYS不能自动进行单位转换 你确定的单位制将影响尺寸 实常数 材料特性和载荷等的输入值 单元公式 不同材料行为 不同结构行为选用不同单元公式
16、高频电磁反射计算 滤波器 单元公式 传统位移方法困难 剪切锁定 体积锁定Solid45KEYOPT 1 1由于剪切锁定而很少使用非协调模式 附加形函数 Solid45缺省选项 弯曲变形选择缩减积分 B Bar 几乎不可压缩材料 体积变形一致缩减积分 URI 几乎不可压缩材料 弯曲变形混合U P公式不可压缩材料 超弹性 为何有如此多的不同单元公式 普通非线性求解非常费时 采用不同的单元技术可更加有效地解决各种类型的非线性问题 不同材料行为 弹性 塑性 超弹性 和不同的结构行为 体积变形 弯曲 需要选择不同的单元公式 单元公式 单元手册中对每一种单元的定义 特点 适用范围 输入 输出做了详细说明 应该习惯于随时查看单元手册 手册的综述部分应该耐心阅读 单元公式 传统的基于位移的单元有两个问题 剪切锁定和体积锁定 剪切锁定导致弯曲行为过分刚化 寄生剪切应力 当细的构件承受弯曲时 这是一种几何特性 体积锁定导致过度刚化响应 当泊松比接近或等于0 5时 这是一种材料特性 重点讨论用不同单元公式解决这两个问题的方法 主要讨论连续 实体 单元 由于非线性分析花费计算机时间太多 所以有些单元公式也提供
