ANSYS单元类型实用教案

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1、7.1 单元单元(dnyun)分类分类按单元维数分为按单元维数分为(fn wi)： 一维单元一维单元 如：杆单元、梁单元、弹如：杆单元、梁单元、弹簧单元簧单元 二维单元二维单元 如：面单元、壳单元如：面单元、壳单元 三维单元三维单元 如：实体单元如：实体单元 点单元点单元 如：质量单元如：质量单元按单元功能可分为：按单元功能可分为： 结构单元结构单元 热单元热单元 电磁单元电磁单元 流体流体(lit)单元单元 耦合场单元耦合场单元 网格划分辅助单元网格划分辅助单元 LS-DYNA单元单元第1页/共34页第一页，共35页。7.2单元(dnyun)介绍（1）点单元其特点是几何形状为点状，可用以下单

2、元模拟(mn)：MASS单元：主要用于动力学分析质量块结构的模拟(mn)；第2页/共34页第二页，共35页。（2）线单元几何形状为线性的结构，可用以下单元进行模拟：1）、LINK单元：用于桁架(hngji)、螺栓、螺杆等连接件的模拟；2）、Beam单元：用于梁、螺栓、螺杆、连接件等的模拟3）、Pipe单元：用于管道、管件等结构的模拟；4）、Combin单元：用于弹簧，细长构件等的模拟。第3页/共34页第三页，共35页。左边是LINK单元(dnyun)在桁架上的应用，右边是BEAM单元(dnyun)在梁上的应用第4页/共34页第四页，共35页。（3）面单元几何形状为面型的结构，可用于以下单元模拟

3、1）.SHELL单元：主要(zhyo)用于薄板或曲面结构的模拟，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倍第5页/共34页第五页，共35页。2）.PLANE单元（平面单元）：用于总体直角坐标系下X-Y平面内结构的平面应力(yngl)、平面应变、轴对称问题第6页/共34页第六页，共35页。应用的一些注意事项适用(shyng)于Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上尺寸的情况（例如薄板）；适用(shyng)于Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上尺寸的情况（例如堤坝）；所有的载荷均作用在XY平面内；仅允许XY平面内的运动；第7页/共34页第七页，共35页。第8页/共34页第八页

4、，共35页。第9页/共34页第九页，共35页。3）体单元几何形状为体型(txng)的结构，可用以下单元模拟.SOLID单元：主要用于三维实体结构的模拟第10页/共34页第十页，共35页。实体单元的选择实体单元类型比较多，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，一般将其分为两类。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(ysu)超弹性材料)。Solid92,solid187可以归为第二类

5、，他们都是带中间节点的四面体单元，单元的主要功能基本相同。第11页/共34页第十一页，共35页。 7.3 线性单元(dnyun)/二次单元(dnyun) 决定采用平面、三维壳或者三维实体(sht)单元后，还需要进一步决定采用线性、四边形。线性单元内的位移按线性变化，因此(ync)(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(ync)单个单元上的应力状态是线性变化的。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”。第12页/共34页第十二页，共35页。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

6、(如：大变形,塑性，或者(huzh)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. 在许多情况下，同线性单元相比，采用更高阶类型(lixng)的单元进行少量的计算就可以得到更好的计算结果。第13页/共34页第十三页，共35页。 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(pngmin)单元和三维实体单元网格之间的差别那么惊人之大。第14页/共34页第十四页，

7、共35页。更高阶的单元模拟(mn)曲面的精度就越高。低阶单元更高阶单元第15页/共34页第十五页，共35页。单元(dnyun)(dnyun)阶次: : 单元(dnyun)(dnyun)形函数多项式的阶次线性单元线性单元只支持线性变化的位移因只支持线性变化的位移因此一个单元内为常应力此一个单元内为常应力对单元扭曲对单元扭曲(ni q)高度高度敏感敏感如果仅对名义应力结果感如果仅对名义应力结果感兴趣则可接受兴趣则可接受对高应力梯度区需要大量对高应力梯度区需要大量单元单元二次单元二次单元支持二次变化的位移及在支持二次变化的位移及在一个单元内线性变化的一个单元内线性变化的应力应力能代表曲边边界及曲面，

8、能代表曲边边界及曲面，比线性单元更为准确。比线性单元更为准确。对单元的扭曲不太敏感对单元的扭曲不太敏感(mngn)对高精度应力感兴趣的情对高精度应力感兴趣的情况建议采用况建议采用比线性单元给出的结果更比线性单元给出的结果更好，多数情况下用更少好，多数情况下用更少的单元及总的自由度即的单元及总的自由度即可达到可达到第16页/共34页第十六页，共35页。注意注意: : 对壳单元，线性单元及二次单元的差别对壳单元，线性单元及二次单元的差别不如实体单元显著，因此通常优先采用不如实体单元显著，因此通常优先采用(ciyng)(ciyng)线性壳单元；线性壳单元； 除了线性及二次单元，第三种单元为除了线性及

9、二次单元，第三种单元为P P单元。单元。P P单元支持单个单元内二到八阶变单元支持单个单元内二到八阶变化的位移，包括自动求解收敛控制。化的位移，包括自动求解收敛控制。第17页/共34页第十七页，共35页。结构分析常用结构分析常用(chnyn)单元类型单元类型:实体实体SOLID45，SOLID92，SOLID95，SOLID185壳壳SHELL63，SHELL181梁梁BEAM4，BEAM188，BEAM189质量质量MASS21杆杆LINK10，LINK11管管PIPE16，PIPE17，PIPE18，PIPE20，PIPE59，PIPE60表面效应表面效应SURF153，SURF154弹簧

10、弹簧COMBIN14第18页/共34页第十八页，共35页。7.4单元类型(lixng)的选择方法单元类型选择概述1).ANSYS的单元库提供了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；2).在选择单元时，首先应该遵循的原则是要能正确的计算模型，根据模型的几何形状选定单元的大类，如线状结构只能(zhnn)用“LINKBeamPipe和Combin”这类单元去模拟；面状结构则只能(zhnn)用“Plane、Shell”这类单元去模拟；3).其次应当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，应当根据分析问题是弹性的还是塑性确定为“Beam3”

11、或“Beam4”等4).在选择时，应当考虑到模型精度与模型计算量之间的取舍问题，例如高阶与线性之间的选择第19页/共34页第十九页，共35页。7.5一些(yxi)常见问题（1）.该选杆单元（Link）还是梁单元(Beam)杆单元只能承受沿着杆件方向的拉力或者压力(yl)，杆单元不能承受弯矩。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

12、以根据需要自定义梁的截面形状。第20页/共34页第二十页，共35页。（2）.对于薄壁结构(jigu)，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(dnsh)

13、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。第21页/共34页第二十一页，共35页。（3）.实体单元的选择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。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(y)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

14、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。第22页/共34页第二十二页，共35页。Solid45和Solid65的运用Solid453-D实体。用于3维实体结构模型。8个节点，每个节点3个自由度，x,y,z三个方向。该元素有塑性，徐变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。Solid653维钢筋混凝土实体。该元素用含钢筋或不含钢筋的3维实体。该实体能被拉裂或压碎。用于混凝土时，例如，元素的实体能力可以用来模拟混凝土，而钢筋能力用来模拟钢筋性能。在其他情况下，该元素还可用于加固合成物（如玻璃纤维）和地质材料（如石块）。元素由8个节点定义，每

15、个节点3个自由度：x,y,z方向。可以定义3个不同钢筋。混凝土元素与solid45相似(xins)，只是比它多了能被拉裂和压碎的能力。该元素最重要的方面是它具有非线性材料的性能。混凝土可以（在三个正交方向）开裂、压碎、塑性变形和徐变。钢筋可以抗拉压，但不能抗剪。也可以具有塑性变形和徐变的性能。第23页/共34页第二十三页，共35页。7.6 定义(dngy)单元类型1. 选 择(xunz)Add第24页/共34页第二十四页，共35页。3.选 择 (xunz)单元类型2.选 择 单 元(dnyun)分类4.选择(xunz)OK第25页/共34页第二十五页，共35页。5. 如果必要(byo)，选择O

16、ptions修改单元选项。7.选择(xunz)Close结束单元类型定义6.选 择 Help得 到 (d do)更多单元选项的帮助第26页/共34页第二十六页，共35页。7.7 实常数(chngsh)v实常数是针对某一单元的几何特征，用于描述那些由单元几何模型不能完全确定的几何形状。例如:v梁单元是由连接两个节点的线来定义的，这只定义了梁的长度。要指明梁的横截面属性，如面积和惯性矩，就要用到实常数。v壳单元是由四面体或四边形来定义的，这只定义了壳的表面积，要指明壳的厚度，必须用实常数。v许多(xdu) 3-D 实体单元不需要实常数，因为单元几何模型已经由节点完全定义。第27页/共34页第二十七

17、页，共35页。1. 选 择(xunz)Add3.选择(xunz)OK2.选择(xunz)要定义的实常数是针对哪种单元类型第28页/共34页第二十八页，共35页。5.选择(xunz)OK4.输 入(shr)实 常数6.如果要定义(dngy)另一实常数，选择Add并重复25步7.结束实常数定义，选择 CloseAREA横截面面积；IZZ截面惯性矩；HEIGHT截面高；SHEARZ剪切变形系数ISTRN初始应变；ADDMAS每单位长度附加质量剪切变形系数0，则在单元的Y方向没有剪切变形第29页/共34页第二十九页，共35页。剪切变形常数定义为梁截面面积与抵抗剪切变形的有效面积之比。剪切常数必须等于(

18、dngy)或大于0。单元剪切刚度随着剪切变形常数的变大而变小。当剪切变形常数为0时，剪切变形将被忽略。几种典型截面的剪切变形系数如下：矩形截面为6/5，实心圆为10/9，薄壁圆壳为2，薄壁箱型为12/5。其他截面的剪切变形常数可以再结构手册中找到。第30页/共34页第三十页，共35页。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(kol)建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。你可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性

19、探讨。第31页/共34页第三十一页，共35页。本章(bn zhn)(bn zhn)重点单元单元(dnyun)分类分类线性单元(dnyun)，二次单元(dnyun)单元类型的选择方法实常数第32页/共34页第三十二页，共35页。思考题1梁单元与杆单元的区别？2选择单元类型(lixng)的根据？3实常数？第33页/共34页第三十三页，共35页。感谢您的观赏(gunshng)！第34页/共34页第三十四页，共35页。内容(nirng)总结7.1 单元分类。如：面单元、壳单元。除了线性及二次单元，第三种单元为P单元。P单元支持单个单元内二到八阶变化的位移，包括自动求解收敛控制。（2）.对于薄壁结构，是选实体单元还是壳单元。该元素用含钢筋(gngjn)或不含钢筋(gngjn)的3维实体。线性单元，二次单元。感谢您的观赏第三十五页，共35页。