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1、CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训ANSYS/STRUCTURAL基础基础ANSYSANSYS公司成都办事处公司成都办事处2004.9.8CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册有限元法基础有限元法基础有限单元法在50年代起源于航空工程飞机结构的矩阵分析，结构矩阵分析认为，一个结构可以看作是由有限个力学小单元相互连接而成的集合体，表征单元力学特性的刚度矩阵可比喻作建筑中的砖瓦。装配在一起就能提供整个结构的力
2、学特性。应用有限元法求解连续体时，把求解区域分为有限个单元，并在每个单元上指定有限个节点。一般可以认为相邻单元在节点连接成一组单元的集合体，用以模拟或逼近求解区域进行分析，同时选定场函数的节点值。例如取节点位移作为基本未知量。假设一个插值函数近似地表示位移分布规律。再利用变分原理或其它方法建立单元节点力和位移之间的力学特性关系。得到一组以节点位移为未知量的代数方程组。从而求解节点位移分量。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册下面以小
3、变形弹性静力问题为例，加以详细介绍。下面以小变形弹性静力问题为例，加以详细介绍。几何方程：几何方程：eij=1/2(ui,j+uj,i)物理方程：物理方程：s sij=aijklekl平衡方程：平衡方程：s sij,j+fi=0边界条件：边界条件： 位移已知边界条件位移已知边界条件 ui=ui （在边界（在边界u上位移已知）上位移已知） 外力已知边界条件外力已知边界条件 s sij,j+pi=0（在边界（在边界p上外力已知）上外力已知）简例（续）简例（续）ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD A
4、nalysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册简例（续）简例（续） 上标表示单元号码，下标表示节点号码。因铰接不存在力矩，每节点力和位移各有两个分量，共四个自由度，用四个方程来描述力位移关系： F1x1=K11U11+K12V11+K13U21+K14V21 F1y1=K21U11+K22V11+K23U21+K24V21 （1-1） F1x2=K31U11+K32V11+K33U21+K34V21 F1y2=K41U11+K42V11+K43U21+K44V21ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/F
5、LOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册简例（续）简例（续）即 F 1=K 11在（1-1）中令U11=1，V11=U21=V21=0则F1x1=K11 ，F1y1=K21 ，F1x2=K31 ，F1y2=K41 上式表明，当节点1沿X方向产生一单位位移，而单元1的其余节点位移为零时，各节点施于单元1上的力将组成一平衡力系，表示单元1抵抗位移U11的刚度。 根据节点间位移协调关系。U11= U22，V11=V22 又根据各节点的平衡条件有 F=KANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with AN
6、SYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册有限元分析步骤有限元分析步骤有限元法可分为几步： 结构的离散化 选择位移模式 即假定位移是坐标的某种简单的函数这种函数称为位移模式或插值函数通常选多项式作为位移模式一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度数。 f=Nf=Ne e (1-9) (1-9) f单元内任一点的位移列阵 e 单元的节点位移列阵 N形函数矩阵 ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRA
7、N培训手册有限元分析步骤（续）有限元分析步骤（续） 分析单元的力学特性由（1-9）导出节点位移表示单元应变的关系式 =B=Be e (1-10) (1-10) 单元内任一点的应变列阵 B单元应变矩阵由（1-10）导出 =DB=DBe e 单元内任一点的应力矩阵 D与单元材料有关的弹性矩阵利用变分原理，建立作用于单元上的节点力和位移之间的关系式 Fe=Kee ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册有限元分析步骤（续）有限元分析步骤（续）
8、 集合所有单元的平衡方程，集合依据的是所有相邻 单元在公共节点处的位移相等；建立总体的有限元方程组。 引入边界条件 求解有限元方程组，得到未知节点位移 计算单元应力，对不同的单元，对应力的处理还有不同的方法ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS文件结构文件结构二进制文件二进制文件Jobname.db （数据库文件） Jobname.dbb （备份文件）Jobname.rst （结构分析结果文件）Jobname.rth （热分
9、析结果文件）Jobname.rmg （电磁场分析结果文件）Jobname.rfl （流体分析结果文件）Jobname.tri （三角化刚度矩阵文件）Jobname.emat （单元矩阵文件）Jobname.esav （单元保存文件）ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS文件结构（续）文件结构（续）文本文件Jobname.log（命令日志文件）Jobname.err（错误及警告信息文件）ANSYS6.0可以改变 Jobname
10、 Work directoryANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS内存管理内存管理ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS内存管理内存管理 (续续)WorkspaceANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysi
11、s with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS 分析过程分析过程 建模 ( /prep7) 加载及求解 (/solu) 观察结果 (/post1, /post26)ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册建模建模 确定工作名和分析标题（/TITLE） 定义单位 选单元 定义实常数 定义材料性质 创建几何模型 建立有限元模型ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUC
12、TURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册 ANSYS/Structural求解功能求解功能Static - 结构静力问题（包括线性和非线性问题）结构静力问题（包括线性和非线性问题）Modal - 模态振动特性计算分析（结构固有频率和振型）模态振动特性计算分析（结构固有频率和振型）Harmonic - 谐波分析谐波分析Transient - 瞬态分析瞬态分析Spectrum - 谱分析谱分析Eigen Buckling - 特征值屈曲分析（线性）特征值屈曲分析（线性）Substr
13、uctural - 子结构分析子结构分析。ANSYS/Structural求解功能求解功能ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS非线性非线性材料非线性材料非线性几何非线性几何非线性单元非线性单元非线性ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册几何非线性几何非线性大应变大
14、应变大挠度大挠度应力刚化应力刚化旋转软化旋转软化ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册材料非线性材料非线性速率无关的塑性速率无关的塑性速率相关的塑性速率相关的塑性超弹性超弹性粘弹性粘弹性混凝土混凝土非线弹性非线弹性蠕变蠕变膨胀膨胀ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册材料非线
15、性材料非线性流动准则流动准则屈服准则屈服准则强化准则强化准则ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册单元非线性单元非线性接触接触点点-点点点点-线线点点-面面面面-面面刚刚-柔柔柔柔-柔柔单元生死单元生死 (焊接焊接,土壤开挖土壤开挖)非线性单元非线性单元 LINK10, COMBINE40.ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Anal
16、ysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册几何模型与有限元模型几何模型与有限元模型关键点线面体单元节点几何模型有限元模型ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册加载加载载荷的含义（六大类）载荷的含义（六大类）l 自由度约束（位移，对称边界条件，温度等）自由度约束（位移，对称边界条件，温度等）l 节点力（力，力矩，热流量）节点力（力，力矩，热流量）l 表面载荷（压力，对流，热流量）表面载荷（压力，对流，热流量）l 体体载载荷荷
17、（结结构构分分析析中中温温度度，热热分分析析中中热热生生成成率率，磁磁 场分析中电流密度）场分析中电流密度）l 惯性载荷（重力加速度，角加速度）惯性载荷（重力加速度，角加速度）l 耦耦合合场场载载荷荷（上上述述载载荷荷的的一一种种特特殊殊情情况况，一一种种分分析的结果作为载荷加于另一种分析中）析的结果作为载荷加于另一种分析中）ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册实体几何模型载荷实体几何模型载荷优点优点改变网格不影响载荷改变网格不影响
18、载荷涉及到的加载实体少涉及到的加载实体少缺点缺点生生成成的的单单元元在在当当前前激激活活的的单单元元座座标标下下，节节点点为为总总体体直直角角座座标标，因因此此实实体体与与有有限限元元模模型可能有不同座标系统和载荷方向型可能有不同座标系统和载荷方向实实体体载载荷荷在在凝凝聚聚分分析析中中不不方方便便，因因载载荷荷加加在主自由度上施加关键点约束较繁锁在主自由度上施加关键点约束较繁锁 不能显示所有实体载荷不能显示所有实体载荷ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS
19、/FLOTRAN培训手册有限元载荷有限元载荷优点优点凝聚分析加载方便凝聚分析加载方便不用考虑约束扩展不用考虑约束扩展缺点缺点网格改变后需重新加载网格改变后需重新加载图形拾取加载不方便图形拾取加载不方便ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS坐标系种类坐标系种类总体坐标系总体坐标系局部坐标系局部坐标系节点坐标系节点坐标系单元坐标系单元坐标系结果坐标系结果坐标系显示坐标系显示坐标系ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURA
20、L基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS坐标系类型坐标系类型直角坐标系直角坐标系圆柱坐标系圆柱坐标系球坐标系球坐标系环形坐标系环形坐标系ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册误差估计误差估计SERR SERR 单元能量范数误差单元能量范数误差 e ei i e ei i=1/2=1/2volvolDDT T-1-1
21、d(vol) d(vol) PRERRPRERR能量范数百分比误差能量范数百分比误差 E E E=100e/ E=100e/（U+eU+e） 1/21/2 U U整个模型应变能整个模型应变能SDSG SDSG i i连接单元的节点中，最大应力差值的绝对值连接单元的节点中，最大应力差值的绝对值 i in n=a an n-i in n ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册选择单元策略选择单元策略 对线性结构（应力）分析，建议采用高阶单
22、元对线性结构（应力）分析，建议采用高阶单元 对对非非线线性性应应力力分分析析，用用低低阶阶单单元元采采用用较较密密网网格格，而不用较粗网格高阶单元而不用较粗网格高阶单元 对对场场分分析析，低低阶阶单单元元通通常常与与高高阶阶单单元元一一样样可可以以取取得好的结果得好的结果 对应力分析，四边形比三角形结果要好对应力分析，四边形比三角形结果要好ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS单元介绍单元介绍ANSYS单元分类单元分类*AN
23、SYS常用单元常用单元 介绍介绍 ANSYS单元介绍单元介绍ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS单元分类单元分类*ANSYS常用单元常用单元 介绍介绍*ANSYS常用单元常用单元 推荐推荐 ANSYS单元介绍单元介绍ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS
24、ANSYS的单元按形状可分为以下三类：的单元按形状可分为以下三类：质点单元（如质量单元）质点单元（如质量单元）线单元（如杆、梁、管单元）线单元（如杆、梁、管单元）面单元（二维平面面单元（二维平面 、壳等）、壳等）体单元（如体单元（如SOLIDSOLID等）等）其它辅助单元其它辅助单元下面就这些类型中常用的单元作简要介绍。下面就这些类型中常用的单元作简要介绍。ANSYS单元分类单元分类ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册 ANSYS单
25、元分类单元分类1. 杆杆单单元元，包包括括二二维维杆杆单单元元和和三三维维杆杆单单元元，线线性性调调节节元，主要包括：元，主要包括：LINK1，LINK8，LINK10，LINK11，LINK180等。等。 2. 弹簧阻尼单元，包括弹簧阻尼单元，包括COMBIN系列：系列：COMBIN7,COMBIN14,COMBIN37,COMBIN40等。等。3. 质量元，质量元，MASS21。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训 ANSYS单
26、元分类单元分类4 . 梁单元，分为二维和三维单元，弹性和塑性；可定梁单元，分为二维和三维单元，弹性和塑性；可定 义各种截面。主要包括：义各种截面。主要包括：BEAM3，BEAM4，BEAM23，BEAM24，BEAM44，BEAM188，BEAM189。5. 管管单单元元，分分为为弹弹性性和和塑塑性性管管元元，直直管管、弯弯管管、T 形形管管。主要包括：主要包括：PIPE系列。系列。6. 二维二维/三维预拉单元三维预拉单元PRET179，可以处理预紧螺栓。可以处理预紧螺栓。7. 结构实体单元，分为二维和三维，弹性和塑性，结构实体单元，分为二维和三维，弹性和塑性， 低阶低阶 单元和高阶单元。单元
27、和高阶单元。 主要包括：主要包括：PLANE系列，系列，SOLID系列。系列。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训 ANSYS单元分类单元分类8. 壳壳单单元元，分分为为薄薄壳壳、中中厚厚壳壳，弹弹性性壳壳元元，塑塑性性壳壳单单 元，膜单元。主要包括：元，膜单元。主要包括：SHELL系列。系列。9. 流体单元，流体单元，FLUID系列。系列。10. 超弹单元，超弹单元，HYPER系列。系列。11. 粘弹性单元，粘弹性单元，VISCO系列。系列。 12. 二维、三维表面效应单元。二维、三维表面效应单元
28、。 热表面效应单元：热表面效应单元：SURF151，SURF152； 结构表面效应单元：结构表面效应单元：SURF153，SURF154。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训 ANSYS单元分类单元分类13. 接接触触单单元元， 分分为为二二维维和和三三维维点点-点点接接触触、点点-面面接接触触、面面-面面接接触触。接接触触单单元元和和目目标标单单元元在在某某些些情情况况下下成对使用。主要包括：成对使用。主要包括：接触单元：接触单元：CONTA系列；目标单元：系列；目标单元：TRAGE系列。系列。
29、14. 网格划分辅助单元，网格划分辅助单元，MESH200。与求解无关，与求解无关， 不不 影响计算结果。在用低级单元创建高级单元等影响计算结果。在用低级单元创建高级单元等 状态时使用，例如拖拉。状态时使用，例如拖拉。 15. 其它单元其它单元 超单元：超单元：MATRIX50，主要用于子结构分析等方面；主要用于子结构分析等方面； 刚度、阻尼、质量单元：刚度、阻尼、质量单元：MATRIX27， 可用于弹性运动学响应分析等方面。可用于弹性运动学响应分析等方面。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训ANS
30、YS单元介绍单元介绍ANSYS单元分类常用单元 介绍* ANSYS常用单元推荐CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS常用单元介绍常用单元介绍Link8 3维杆单元，可用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等。维杆单元，可用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等。沿沿杠杠的的轴轴向向承承受受拉拉压压，不不承承受受弯弯矩矩。每每个个节节点点有有3个个自自由由度度（沿沿节节点点坐坐标标系系x、y、z的的平平动动）。具具有有塑塑性性、蠕蠕变变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功
31、能。单元无选项要求。单元无选项要求。所需实常数：截面积和初始应变。所需实常数：截面积和初始应变。同类型单元有同类型单元有Link1(2D)、Link10、Link11等。等。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册Combin14 弹弹簧簧阻阻尼尼单单元元，可可用用于于一一维维、二二维维、三三维维中中的的轴轴向拉压和扭转。向拉压和扭转。 具有轴向拉压、扭转能力。具有轴向拉压、扭转能力。 单元选项：单元选项：K1-线性、非线性求解选项；线
32、性、非线性求解选项； K21D自由度选项（包括平动自由自由度选项（包括平动自由 度和转动自由度）度和转动自由度） K3-2D、3D自由度选项自由度选项 （包括平动自由度和转动自由度）（包括平动自由度和转动自由度） 实常数：实常数： K-弹簧刚度；弹簧刚度； CV1-阻尼系数；阻尼系数； CV2-非线性阻尼系数。非线性阻尼系数。ANSYS常用单元介绍常用单元介绍ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS常用单元介绍常用单元介绍BE
33、AM4 三维弹性梁单元三维弹性梁单元 可可承承受受轴轴向向拉拉压压、扭扭转转和和弯弯曲曲，每每个个节节点点六六个个自自由由度度 （三个平动和三个转动自由度）（三个平动和三个转动自由度） 具有应力刚化和大变形功能。具有应力刚化和大变形功能。 单元选项：单元选项：k2刚化矩阵选项（主矩阵或一致矩阵）；刚化矩阵选项（主矩阵或一致矩阵）； k6是否输出单元力和力矩；是否输出单元力和力矩； k7是否计算回转矩阵；是否计算回转矩阵； k9额外中间选项输出；额外中间选项输出； k10按长度单位还是按长度比例进行载按长度单位还是按长度比例进行载 荷偏移处理。荷偏移处理。 实常数定义：可以通过截面参数按截面图形
34、输入和实常数定义：可以通过截面参数按截面图形输入和 定义截面尺寸、截面类型。定义截面尺寸、截面类型。 同类型的单元：同类型的单元：BEAM3、BEAM23、BEAM24、 BEAM44、BEAM188、BEAM189等。等。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS常用单元介绍常用单元介绍PLANE42 2D结构实体单元。结构实体单元。 可可用用于于平平面面应应力力、平平面面应应变变、轴轴对对称称。有有四四个个节节点点，每每个个
35、节点两个平动自由度。节点两个平动自由度。具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变功能。具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变功能。单单元元选选项项：K1单单元元坐坐标标系系定定义义（平平行行于于总总体体坐坐标标系系或或以以IJ边为基准）；边为基准）；K2是否包括额外的位移形状；是否包括额外的位移形状；K3-单元行为（平面应力、应变、轴对称等）单元行为（平面应力、应变、轴对称等）K4额外的应力输出（没有、积分点、节点）额外的应力输出（没有、积分点、节点）K5额外的表面输出选项。额外的表面输出选项。实常数：无实常数要求（单元厚度按单位厚度考虑）实常数：无实常数要求（单元厚度按单位厚度
36、考虑） 对应的高阶单元是对应的高阶单元是PLANE82，接受非轴对称载荷的接受非轴对称载荷的 轴对称单元是轴对称单元是PLANE25。 同类型的单元还有同类型的单元还有PLANE182、PLANE183等。等。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训ANSYS常用单元介绍SOLID95 D20节点结构实体单元。节点结构实体单元。 是是3D八八节节点点实实体体单单元元SOLID45的的高高阶阶单单元元。该该单单元元在在保保证证精精度度的的
37、同同时时允允许许使使用用不不规规则则的的形形状状。具具有有相相容容的的位位移移形式，适用于曲线边界的建模。形式，适用于曲线边界的建模。具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变功能。具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变功能。单单元元选选项项：单单元元坐坐标标系系；额额外外单单元元输输出出选选项项；额额外外表表面面输输出选项；积分原则。出选项；积分原则。同类型的单元还有：同类型的单元还有：SOLID185、SOLID186等。等。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训ANSYS常用单元介绍
38、SHELL93 八节点结构壳单元。八节点结构壳单元。 每个节点有六个自由度（三个平动和三个转动自每个节点有六个自由度（三个平动和三个转动自 由由 度）。在平面的两个方向上，变形的形状都是度）。在平面的两个方向上，变形的形状都是 二次的。二次的。 具有塑性、应力刚化、大变形和大应变功能。具有塑性、应力刚化、大变形和大应变功能。 单元选项：单元坐标系；额外应力输出选项；单元选项：单元坐标系；额外应力输出选项； 非线性积分点输出选项等。非线性积分点输出选项等。 实常数：单元各点的厚度；单元实常数：单元各点的厚度；单元X轴的转角；轴的转角； 增加的单位质量面等。增加的单位质量面等。 同类型的单元：同类
39、型的单元： CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS常用单元介绍常用单元介绍SHELL63 线性单元（线性单元（4节点），节点）， 具有应力刚化、大变形功能。具有应力刚化、大变形功能。SHELL143 四节点塑性壳单元，具有塑性、蠕变、四节点塑性壳单元，具有塑性、蠕变、 膨胀、应力刚化、大变形和大应变功能。膨胀、应力刚化、大变形和大应变功能。 可处理薄壳和中厚度的壳单元。可处理薄壳和中厚度的壳单元。 SHELL181 有限应变壳单元。特别适用于具有线性、有限应变壳单元。特别适用于具有线性、 大
40、角度转动大角度转动/或非线性大应变特性的应用问题。或非线性大应变特性的应用问题。 非线性分析中考虑了壳厚度的变化。非线性分析中考虑了壳厚度的变化。 单元内积分可用完全积分和缩减积分。单元内积分可用完全积分和缩减积分。 采用采用SHELL43有收敛困难的问题可用有收敛困难的问题可用 SHELL181代替。代替。SHELL43 塑性大应变壳单元。塑性大应变壳单元。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训ANSYS常用单元介绍SURF153
41、2D表面效应单元表面效应单元SURF154 3D表面效应单元表面效应单元 单元选项：单元特点（平面应力、应变、轴对称等），单元选项：单元特点（平面应力、应变、轴对称等）， 是否有中间节点、压力载荷法向等。是否有中间节点、压力载荷法向等。 实常数：基础刚度、表面张力、厚度实常数：基础刚度、表面张力、厚度CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS常用单元介绍常用单元介绍接触单元：接触单元： 目标面；接触面；目标面；接触面； 可以通过接触导向来定义接触对；可以通过接触导向来定义接触对； 单元选项：单元
42、自由度、接触算法、接触检查点、单元选项：单元自由度、接触算法、接触检查点、 CNOF的自动调节、接触时间（载荷）预报、的自动调节、接触时间（载荷）预报、 伪接触预报、接触初期渗透伪接触预报、接触初期渗透/间隙考虑否、间隙考虑否、 接触刚度修正。接触刚度修正。 实常数：接触刚度（实常数：接触刚度（KFN）、）、穿透容差值（穿透容差值（FTOLN）、）、 摩擦系数等。摩擦系数等。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初级培训表面效应单元表面效应单
43、元表面效应单元（表面效应单元（Surf154Surf154）应用简介应用简介单元定义：单元定义：4-84-8个节点及材料特性个节点及材料特性单元退化单元退化实常数实常数 厚度等，厚度缺损为单位厚度。厚度等，厚度缺损为单位厚度。 质量和体积的计算要使用单元厚度。质量和体积的计算要使用单元厚度。 ADMSUADMSU，附加质量（单位面积）附加质量（单位面积） EFSEFS， 基础刚度基础刚度 . .CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册表面效应单元表面效应单元表面效应单元（表面效应单元（Surf154)S
44、urf154)的加载的加载节点和单元载荷节点和单元载荷对于对于faceface为为1 1，2 2，3 3，4 4，压力的正值作用在单元坐标，压力的正值作用在单元坐标系的正面（除非在系的正面（除非在Z Z的负方向作用法向压力）；的负方向作用法向压力）；正或负根据正或负根据Keyopt(6)Keyopt(6)可以移动到流体约束的自由表面；可以移动到流体约束的自由表面；face=1face=1，压力作用在表面的法向；，压力作用在表面的法向；face=2face=2，压力作用在表面的切向（，压力作用在表面的切向（X) X)；face=3face=3，压力作用在表面的切向（，压力作用在表面的切向（Y)
45、Y)；ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册表面效应单元表面效应单元Face=4Face=4，法向压力法向压力 在每个积分点，压力的大小是在每个积分点，压力的大小是Pi+xPj+yPk+ZPlPi+xPj+yPk+ZPl 其中，其中，Pi,Pj,Pk,PlPi,Pj,Pk,Pl是用是用SFESFE命令输入的命令输入的 VAL1,VAL2,VAL3,VAL4 VAL1,VAL2,VAL3,VAL4，X,Y,ZX,Y,Z是当前是当前 位置
46、的笛卡儿系下的坐标值位置的笛卡儿系下的坐标值ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册表面效应单元表面效应单元Face=5Face=5，与表面成一定的角度的压力，与表面成一定的角度的压力 压力值的大小是压力值的大小是Pi Pi； 压力的方向是：压力的方向是： （P PjjX+PX+Pk kY+PlZ)/(PjY+PlZ)/(Pj2 2+Pk+Pk2 2+Pl+Pl2 2) )1/21/2压力值可以根据压力值可以根据Keyopts(11)K
47、eyopts(11)和和Keyopts(12)Keyopts(12)调整，调整，但，当使用但，当使用SffunSffun或或SfgradSfgrad命令时，方向是不会调整的。命令时，方向是不会调整的。 ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册表面效应单元表面效应单元Suuf154Suuf154的输入的输入单元名单元名 SURF154SURF154节点：节点：i,j,k,l if keyopt(4)=1 i,j,k,l if keyopt
48、(4)=1 （无中间节点）（无中间节点） I,j,k,l,m,n,o,p if keyopt(4)=0 I,j,k,l,m,n,o,p if keyopt(4)=0 （有中间节点）（有中间节点）自由度：自由度：ux uy uzux uy uz实常数：实常数：材料特性：材料特性：Dens,Visc,DampDens,Visc,DampANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册表面效应单元表面效应单元 Surface LoadsSurface
49、 Loads Pressures: Face=1 (I,J,K,L ) Pressures: Face=1 (I,J,K,L ) 表面法向表面法向 Face=2 (I,J,K,L) Face=2 (I,J,K,L) 切向（切向（+X)+X) Face=3 (I,J,K,L) Face=3 (I,J,K,L) 切向（切向（+Y)+Y) Face=4 (I,J,K,L) Face=4 (I,J,K,L) 法向法向 （锥形（锥形) ) Face=4 (I,J,K,L) Face=4 (I,J,K,L) 根据输入的矢量根据输入的矢量ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训C
50、FD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册* ANSYS单元分类单元分类* ANSYS常用单元常用单元 介绍介绍 ANSYS常用单元推荐常用单元推荐ANSYS单元介绍单元介绍ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册实体单元推荐实体单元推荐几乎不可压缩材料几乎不可压缩材料 (塑性塑性)可忽略弯曲的体结构变形采用可忽略弯曲的体结构变形采用 Plane18
51、2, Solid185Plane182, Solid185 选择缩减积分选择缩减积分 ( (B-Bar)B-Bar)。对于小应变应用采用非协调模式单元对于小应变应用采用非协调模式单元 Plane42, Plane42, Solid45Solid45。对于大应变应用采用具有对于大应变应用采用具有URI(URI(特别对于大模型特别对于大模型) )的的Plane182Plane182 和和 Solid185Solid185 或具有或具有URIURI的的 Solid95Solid95 。也可也可以采用以采用 Visco106, Visco107 Visco106, Visco107 和和 Visco1
52、08Visco108 单元单元( (甚至甚至对于与速率无关的塑性对于与速率无关的塑性)。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册实体单元推荐实体单元推荐不可压缩材料不可压缩材料 (超弹性超弹性)类似橡胶材料的不可压缩条件约束需要类似橡胶材料的不可压缩条件约束需要 U-P U-P 混合公式，混合公式，可采用单元可采用单元 Hyper56, Hyper58, Hyper158 Hyper56, Hyper58, Hyper158 或或 Hy
53、per74 Hyper74 。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册壳单元壳单元 - 概述概述当结构的总体厚度相对于典型长度很小时可使用壳单元，当结构的总体厚度相对于典型长度很小时可使用壳单元，长度比厚度大十倍以上的问题可决定使用壳单元。长度比厚度大十倍以上的问题可决定使用壳单元。公开的文献中有各种壳理论，这源于对壳位移的不同近公开的文献中有各种壳理论，这源于对壳位移的不同近似描述。似描述。ANSYS ANSYS 中的壳单元根据要求解
54、的问题类型采用不同的公中的壳单元根据要求解的问题类型采用不同的公式式，三个基本的壳公式包括，三个基本的壳公式包括: 薄膜理论薄膜理论,“薄薄”壳理论壳理论和和“ 厚厚”壳理论。壳理论。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册壳单元壳单元 - 概述概述薄膜理论薄膜理论 Shell41Shell41 采用薄膜理论。采用薄膜理论。Shell41 Shell41 忽略弯曲和横向剪切，忽略弯曲和横向剪切，只包含薄膜效应。只包含薄膜效应。经典经典
55、Love-Kirchhoff Love-Kirchhoff 理论理论 Shell63Shell63 是是“ “ 薄薄”壳单元。壳单元。Shell63 Shell63 包含弯曲和薄膜包含弯曲和薄膜效应但忽略横向剪切变形。效应但忽略横向剪切变形。Reissner/Mindlin Reissner/Mindlin 理论理论 Shell43, 143, 181, 91, 93 Shell43, 143, 181, 91, 93 和和 99 99 是是“ 厚厚”壳单元。壳单元。其包含弯曲、薄膜和横向剪切效应。横向剪切被表示为其包含弯曲、薄膜和横向剪切效应。横向剪切被表示为整个厚度上的常剪切应变整个厚度上
56、的常剪切应变,这种一阶近似只适用于这种一阶近似只适用于“ 中中等厚度等厚度”壳体。壳体。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册平面变形中的壳单元平面变形中的壳单元平面内壳的响应可认为是平面应力状态，平面内壳的响应可认为是平面应力状态，因此对于壳单因此对于壳单元不会出现体积锁定问题。元不会出现体积锁定问题。 ( (当绝对不可压缩，泊松比当绝对不可压缩，泊松比 = 0.5 = 0.5 时时Shell181 Shell181 支持超弹性支持
57、超弹性) )对于薄膜现象，壳单元的平面公式与平面实体单元的公对于薄膜现象，壳单元的平面公式与平面实体单元的公式相似式相似( (非协调模式非协调模式) )。Shell41, 43, 63 Shell41, 43, 63 和和 181 181 对于平面内变形支持非协调对于平面内变形支持非协调模式。模式。Shell181Shell181 也支持具有沙漏控制的一致缩减积分也支持具有沙漏控制的一致缩减积分 (缺省缺省选项选项)。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/
58、FLOTRAN培训手册壳单元推荐壳单元推荐线性分析线性分析如壳的厚度非常小采用如壳的厚度非常小采用 Shell63Shell63，Shell63Shell63单元不包单元不包含横向剪切效应。含横向剪切效应。如横向剪切变形重要，对于均匀材料采用如横向剪切变形重要，对于均匀材料采用 Shell43, Shell43, Shell93Shell93或或 Shell143Shell143 ，对于复合材料采用对于复合材料采用 Shell91 Shell91 或或 Shell99Shell99 。注意具有一致缩减积分注意具有一致缩减积分( (缺省缺省) )的单元的单元 Shell181Shell181 对
59、大对大模型较快，但将需要较细的网格。模型较快，但将需要较细的网格。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册壳单元推荐壳单元推荐非线性分析非线性分析 等向强化塑性和超弹性等向强化塑性和超弹性采用采用 Shell181Shell181。 其优势包括：较小的其优势包括：较小的 . .esav esav 文文件，较少的件，较少的 CPU CPU 时间，压力载荷刚度效果，可以时间，压力载荷刚度效果，可以导入初始应力，接触分析中厚度变化。导入初始应
60、力，接触分析中厚度变化。运动强化塑性，蠕变运动强化塑性，蠕变采用采用 Shell143, Shell43 Shell143, Shell43 和和 Shell93Shell93。 Shell43 Shell43 和和 Shell143 Shell143 适用于小应变塑性，适用于小应变塑性，Shell93Shell93是弯曲是弯曲的壳的壳 ( (高阶高阶) )。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册梁单元梁单元 - 概述概述梁单元可用于
61、分析主要受侧向或横向载荷的结构，典型梁单元可用于分析主要受侧向或横向载荷的结构，典型的梁应用包括：机器主轴，房屋构架，桥梁等。的梁应用包括：机器主轴，房屋构架，桥梁等。 ANSYSANSYS中可用的两个梁单元公式为：中可用的两个梁单元公式为：EulerEuler/Bernoulli /Bernoulli 梁梁 Beam3 Beam3 和和 Beam4Beam4 包括弯曲、轴向和扭转变形。横向包括弯曲、轴向和扭转变形。横向剪切变形不包括于单元公式中剪切变形不包括于单元公式中 ( (但可作为柔性因子应但可作为柔性因子应用用) )。TimoshenkoTimoshenko 梁梁 Beam188 Be
62、am188 和和 Beam189Beam189 在单元公式中包括弯曲在单元公式中包括弯曲、轴向、轴向、扭转和横向剪切变形。扭转和横向剪切变形。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册梁单元推荐梁单元推荐线性分析线性分析对于线性模型采用对于线性模型采用 Beam3, Beam4, Beam188 Beam3, Beam4, Beam188 或或 Beam189Beam189。 Beam3 Beam3 和和 Beam4 Beam4 采用采用
63、 HermitianHermitian 多项多项式作为形函数并且在弯曲中具有三次响应。式作为形函数并且在弯曲中具有三次响应。Beam188 Beam188 采用线性多项式作为形函数，采用线性多项式作为形函数，Beam189 Beam189 采用二次多项采用二次多项式作为形函数式作为形函数 ( (可作为弯曲梁可作为弯曲梁) )。注意有限应变梁需要更细化的网格，然而，注意有限应变梁需要更细化的网格，然而，Beam188 Beam188 和和 Beam189Beam189 具有许多优秀的前后处理特色具有许多优秀的前后处理特色，使其非，使其非常适于处理线性模型。常适于处理线性模型。ANSYS(成都成都
64、)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册梁单元推荐梁单元推荐非线性分析非线性分析采用采用 Beam188 Beam188 和和 Beam189 Beam189 模拟模拟各向同性强化塑性、各向同性强化塑性、大应变、屈曲大应变、屈曲 ( (特征值和非线性坍塌特征值和非线性坍塌) ) 和和/ /或大转动或大转动问题。问题。 用作壳加强单元，用作壳加强单元，Beam188 Beam188 与与 Shell181 Shell181 完全兼容，完全兼容，并且并且 Be
65、am189 Beam189 与与 Shell93 Shell93 完全兼容。完全兼容。 注意所有梁单元假定无约束的断面扭曲，当扭曲约束注意所有梁单元假定无约束的断面扭曲，当扭曲约束是重要的时，采用壳单元来是重要的时，采用壳单元来模拟模拟梁结构。梁结构。ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册Beam188 和和 Beam189 由于由于 Beam188Beam188 和和 Beam189Beam189 对剪切变形采对剪切变形采用一次近似
66、用一次近似 ( (厚度方向厚度方向为为常剪切应力常剪切应力) )，故其，故其只应用于比较细长的梁。只应用于比较细长的梁。可用如下方法近似估计，可用如下方法近似估计，( (GALGAL2 2)/(EI) 30, )/(EI) 30, 其其中中 L L 是所有单元的总是所有单元的总体长度体长度 ( ( 不是单个单不是单个单元的长度元的长度)。因弯曲响应是线性或二因弯曲响应是线性或二次的，故长度方向采用次的，故长度方向采用多个单元多个单元LANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis wit
67、h ANSYS/FLOTRAN培训手册位移约束方程位移约束方程方程式方程式 CONST=c1*Lab1(NOD1)+c2*Lab2(NOD2)+c3*Lab3(NOD3)命令命令 CE，NEQN，CONST，NOD1，Lab1，C1，NOD2，Lab2，C2.ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册自由度耦合自由度耦合命令格式命令格式CP，NSET，Lab，NOD1，NOD2，NOD3，NOD4，NOD5.ANSYS(成都成都)ANSY
68、SSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册Got Questions? Get ANSYSANSYS 总部网站（美国）总部网站（美国） ANSYS中国网站中国网站 ANSYS成都成都技术支持技术支持ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS中文资料中文资料ANSYS入门手册（上下）入门手册（上下）基本过
69、程手册基本过程手册建模与分网手册建模与分网手册非线性分析指南非线性分析指南动力学分析指南动力学分析指南热分析分析指南热分析分析指南ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培训手册ANSYS中文资料中文资料电磁场分析指南电磁场分析指南计算流体动力学分析指南计算流体动力学分析指南耦合场分析指南耦合场分析指南疲劳断裂复合材料疲劳断裂复合材料高级分析指南高级分析指南ANSYS/LS-DYNA使用指南使用指南ANSYS(成都成都)ANSYSSTRUCTURAL基础培训基础培训
