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1、第第7 7章章 ANSYSANSYS单元类型单元类型7.1 单元分类单元分类7.2 单元介绍单元介绍 7.3 线性单元线性单元/二次单元二次单元7.4 单元类型的选择方法单元类型的选择方法7.7 实常数实常数7.6 定义单元类型定义单元类型7.5 一些常见问题一些常见问题7.1 单元分类单元分类按单元维数分为：按单元维数分为： 一维单元一维单元 如：杆单元、梁单元、弹簧单元如：杆单元、梁单元、弹簧单元 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
2、热单元热单元 电磁单元电磁单元 流体单元流体单元 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7.2 单元介绍单元介绍（1）点单元）点单元其特点是几何形状为点状，可用以下单元模拟：MASS单元：主要用于动力学分析质量块结构的模拟； （2） 线单元线单元几何形状为线性的结构线性的结构，可用以下单元进行模拟：1）、LINK单元：用于桁架、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。左边是LINK单元在桁架上的应用，右边是BEAM单
3、元在梁上的应用（3）面单元）面单元几何形状为面型的结构，面型的结构，可用于以下单元模拟1）.SHELL单元单元：主要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2）. PLANE单元（平面单元）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、平面应变、轴对称问题应用的一些注意事项应用的一些注意事项适用于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；3）体单元）体单元几何形状为体型的结构体型的结构，
4、可用以下单元模拟.SOLID单元：单元：主要用于三维实体实体结构的模拟实体单元的选择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，他们都是六面体单六面体单元元，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，他们都是带中间节中间节点点的四面体单元四面体单元，单元的主要功能基本相同。 7.3 线性单元线性
5、单元/二次单元二次单元 决决定定采采用用平平面面、三三维维壳壳或或者者三三维维实实体体单单元元后后，还还需需要要进进一一步决定采用线性、四边形。步决定采用线性、四边形。线线性性单单元元内内的的位位移移按按线线性性变变化化，因因此此(大大多多数数时时)单单个个单单元元上上的的应力状态是不变的。应力状态是不变的。二二次次单单元元内内的的位位移移是是二二阶阶变变化化的的，因因此此单单个个单单元元上上的的应应力力状状态态是线性变化的。是线性变化的。线线性性单单元元和和高高阶阶单单元元之之间间明明显显的的差差别别是是线线性性单单元元只只存存在在 “角角节节点点”，而而高高阶阶单单元元还还存存在在 “中节
6、点中节点”。ANSYS中各中各线性线性概念之间的区别：概念之间的区别： 线线性性分分析析 是是指指不不包包含含任任何何非非线线性性影影响响(如如：大大变变形形,塑性，或者接触塑性，或者接触)。线线性性方方程程 求求解解器器 是是指指方方程程组组解解就就是是结结构构的的自自由由度度解解。即即使使是是非非线线性性分分析析，这这些些方方程程还还是是线线性性的的 (但但必必须须进行多次求解进行多次求解)。线性单元线性单元 假定单元内的自由度按线性变化假定单元内的自由度按线性变化. 在在许许多多情情况况下下，同同线线性性单单元元相相比比，采采用用更更高高阶阶类类型型的的单单元元进进行行少少量量的的计计算
7、算就就可可以以得得到到更更好好的的计算结果。计算结果。 在进行单元选择时应考虑的其它因素在进行单元选择时应考虑的其它因素-线线性性单单元元的的扭扭曲曲变变形形可可能能引引起起精精度度损损失失。更更高高阶单元对这种扭曲变形不敏感。阶单元对这种扭曲变形不敏感。-就就求求解解的的精精度度的的差差别别讲讲，线线性性单单元元和和二二次次单单元元网网格格之之间间的的差差别别远远没没有有平平面面单单元元和和三三维维实实体体单单元网格之间的差别那么惊人之大。元网格之间的差别那么惊人之大。更高阶的单元模拟曲面的精度就越高。更高阶的单元模拟曲面的精度就越高。低阶单元低阶单元更高阶单元更高阶单元单元阶次单元阶次:
8、: 单元形函数多项式的阶次单元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此一只支持线性变化的位移因此一个单元内为常应力个单元内为常应力对单元扭曲高度敏感对单元扭曲高度敏感如果仅对名义应力结果感兴趣如果仅对名义应力结果感兴趣则可接受则可接受对高应力梯度区需要大量单元对高应力梯度区需要大量单元二次单元二次单元支持二次变化的位移及在一个支持二次变化的位移及在一个单元内线性变化的应力单元内线性变化的应力能代表曲边边界及曲面，比线能代表曲边边界及曲面，比线性单元更为准确。对单元的扭性单元更为准确。对单元的扭曲不太敏感曲不太敏感对高精度应力感兴趣的情况建对高精度应力感兴趣的情况建议采用议采用
9、比线性单元给出的结果更好，比线性单元给出的结果更好，多数情况下用更少的单元及总多数情况下用更少的单元及总的自由度即可达到的自由度即可达到注意注意: : 对壳单元，线性单元及二次单元的差别不如实体对壳单元，线性单元及二次单元的差别不如实体单元显著，因此通常优先采用线性壳单元；单元显著，因此通常优先采用线性壳单元； 除了线性及二次单元，第三种单元为除了线性及二次单元，第三种单元为P单元。单元。P单单元支持单个单元内二到八阶变化的位移，包括自动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。求解收敛控制。结构分析结构分析常用单元类型常用单元类型:实体实体 SOLID45， SOLID92
10、，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弹簧弹簧 COMBIN14 7.4 单元类型的选择方法单元类型的选择方法单元类型选择概述单元类型选择概述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
11、能正确的计算模型，根据模型的几何形状几何形状选定单元的大类，如线状结构只能用“LINKBeamPipe和Combin”这类单元去模拟；面状结构则只能用“Plane、Shell”这类单元去模拟；3).其次应当根据分析问题的性质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”或“Beam4”等4).在选择时，应当考虑到模型精度模型精度与模型计算量模型计算量之间的取舍问题，例如高阶与线性之间的选择7.5 一些常见问题一些常见问题（1）.该选杆单元（该选杆单元（Link）还是梁单元）还是梁单元(Beam) 杆单元只能承受沿着杆件方向的拉力或
12、者压力，杆单元不能承受弯矩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，可以根据需要自定义梁的截面形状。（2）.对于薄壁结构，是选实体对于薄壁结构，是选实体单元还是壳单元？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
13、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。（3）.实体单元的选择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六六面体单元面体单元，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，
14、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。Solid45和和Solid65的运用的运用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，膨塑性，徐变，膨胀，应力强化，
15、大变形和大应变能力胀，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，只是比它多了能被拉被拉裂裂和压碎压碎的能力。该元素最重要的方面是它具有非线性材非线性材料料的性能。混凝土可以（在三个正交方向）开裂、压碎、开裂、压碎、塑性变形和徐变塑性变形和徐变。钢筋可以抗
16、拉压，但不能抗剪。也可以具有塑性变形和徐变的性能塑性变形和徐变的性能。7.6 定义单元类型定义单元类型1. 选择选择Add3.选择单元类型选择单元类型2.选择单元分类选择单元分类4.选择选择OK5. 如如果果必必要要，选选择择Options修改单元选项。修改单元选项。7.选选 择择 Close结结 束束单元类型定义单元类型定义6.选选择择Help得得到到更更多多单元选项的帮助单元选项的帮助7.7 实常数实常数v实实常常数数是是针针对对某某一一单单元元的的几几何何特特征征，用用于于描描述述那那些些由单元几何模型不能完全确定的几何形状。由单元几何模型不能完全确定的几何形状。例如例如:梁梁单单元元是
17、是由由连连接接两两个个节节点点的的线线来来定定义义的的，这这只只定定义义了了梁梁的的长长度度。要要指指明明梁梁的的横横截截面面属属性性，如如面面积积和惯性矩，就要用到实常数。和惯性矩，就要用到实常数。壳壳单单元元是是由由四四面面体体或或四四边边形形来来定定义义的的，这这只只定定义义了壳的表面积，要了壳的表面积，要指明壳的厚度，必须用实常数。指明壳的厚度，必须用实常数。许许多多 3-D 实实体体单单元元不不需需要要实实常常数数，因因为为单单元元几几何何模型已经由节点完全定义。模型已经由节点完全定义。1. 选择选择Add3.选择选择OK2.选选择择要要定定义义的的实实常常数数是是针针对对哪种单元类
18、型哪种单元类型5.选择选择OK4.输输入入实实常数常数6.如如果果要要定定义义另另一一实实常常数数，选选择择Add并并重重复复25步步7.结结束束实实常常数数定定义，选择义，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：矩形几种典型截面的剪切变形系数如下：
19、矩形截面为截面为6/5，实心圆为，实心圆为10/9，薄壁圆壳为，薄壁圆壳为2，薄壁箱型为薄壁箱型为12/5。 其他截面的剪切变形常数可以再结构手册中找到。在在结结构构分分析析中中，结结构构的的应应力力状状态态决决定定单单元元类类型型的的选择。选择。选选择择维维数数最最低低的的单单元元去去获获得得预预期期的的结结果果(尽尽量量做做到到能能选选择择点点而而不不选选择择线线，能能选选择择线线而而不不选选择择平平面面，能能选选择择平平面面而而不不选选择择壳壳，能能选选择择壳壳而而不不选选择择三三维维实体实体)。对对于于复复杂杂结结构构，应应当当考考虑虑建建立立两两个个或或者者更更多多的的不不同同复复杂杂程程度度的的模模型型。你你可可以以建建立立简简单单模模型型，对对结结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。本章重点本章重点单元分类单元分类线性单元，二次单元线性单元，二次单元单元类型的选择方法单元类型的选择方法实常数实常数思考题思考题1梁单元与杆单元的区别？2选择单元类型的根据？3实常数？
