注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

htbbzzg的博客

与朋友们分享 CAE 资料和经验

 
 
 

日志

 
 

ANSYS 入门教程 (2) - 单元功能与特性  

2010-07-22 15:47:15|  分类: ANSYS 入门基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

1.2  ANSYS 结构分析单元功能与特性

    ANSYS 10 版本提供了如下单元:

ANSYS 入门 - htbbzzg - htbbzzg的博客

 

以下分别对这些单元做简单介绍。

1.2.1 杆单元
    杆单元适用于模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。
    该类单元只承受杆轴向的拉压,不承受弯矩,节点只有平动自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、大转动、大挠度(也称大变形)、大应变(也称有限应变)、应力刚化(也称几何刚度、初始应力刚度等)等功能,表1-4是该类单元较详细的特性。

                  ANSYS 入门 - htbbzzg - htbbzzg的博客

 

                  ANSYS 入门 - htbbzzg - htbbzzg的博客

    

    使用杆单元应注意的问题:
    ⑴  杆单元均为均质直杆,面积和长度不能为零(LINK11 无面积参数)。仅承受杆端荷载,温度沿杆元长线性变化。杆元中的应力相同,可考虑初应变。
    ⑵  LINK10 属非线性单元,需迭代求解。LINK11 可作用线荷载;仅有集中质量方式。
    ⑶  LINK180 无实常数型初应变,但可输入初应力文件,可考虑附加质量;大变形分析时,横截面面积可以是变化的,即可为轴向伸长的函数或刚性的。

    ⑷  通常用 LINK1 和 LINK8 模拟桁架结构,如屋架、网架、网壳、桁架桥、桅杆、塔架等结构,以及吊桥的吊杆、拱桥的系杆等构件,必须注意线性静力分析时,结构不能是几何可变的,否则造成位移超限的提示错误。
    LINK10 可模拟绳索、地基弹簧、支座等,如斜拉桥的斜拉索、悬索、索网结构、缆风索、弹性地基、橡胶支座等。LINK180除不具备双线性特性 (LINK10) 外,它均可应用于上述结构中,并且其可应用的非线性性质更加广泛,增加了粘弹塑性材料。
    ⑸  LINK1、LINK8 和 LINK180 单元还可用于普通钢筋和预应力钢筋的模拟,其初应变可作为施加预应力的方式之一。

1.2.2 梁单元
    梁单元分为多种单元,分别具有不同的特性,是一类轴向拉压、弯曲、扭转 (3D) 单元。该类单元有常用的 2D/3D 弹性梁元、塑性梁元、渐变不对称梁元、3D 薄壁梁元及有限应变梁元。此类单元除 BEAM189 实为 3 节点外,其余均为 2 节点,但有些辅以另外的节点决定单元的方向(如表 1-5中 的节点数)。

                        ANSYS 入门 - htbbzzg - htbbzzg的博客

                           ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客

     使用梁单元需要应注意的问题:
    ⑴  梁单元面积和长度不能为零,且 2D 梁元必须位于总体直角坐标系的 XY 平面内。
    ⑵  剪切变形的影响:

    当梁的高度远小于跨度时可忽略剪切变形的影响。经典梁元基于变形前后垂直于中面的截面变形后仍保持垂直的Kirchhoff假定,例如当剪切变形系数为零时的 BEAM3 或 BEAM4。但考虑剪切变形的梁弯曲理论中,仍假定原来垂直于中面的截面变形后仍保持平面,(但不一定垂直),ANSYS 考虑剪切变形影响采用两种方法,即在经典梁元的基础上引入剪切变形系数 (BEAM3/4/23/24/44/54) 和 Timoshenko 梁元 (BEAM188/ 189),前者的截面转角由挠度的一次导数导出,而后者则采用了挠度和截面转角各自独立插值,这是两者的根本区别。

    ⑶  自由度释放:梁元中能够使用自由度释放的单元有 BEAM44 单元,通过 keyopt(7) 和 keyopt(8) 设定释放 I 节点和 J 节点的各个自由度。而高版本中的 BEAM188/189 也可通过 ENDRELEASE 命令对自由度进行释放,如将刚性节点设为球铰等。
    ⑷  梁截面特性:能够采用梁截面 (section) 特性的有 BEAM44 和 BEAM188/189 三个单元。BEAM44 截面不变时才能采用梁截面,在不使用梁截面而输入实常数时可以采用变截面。BEAM188/189 在 V8.0 以上版本中可使用变截面的梁截面,且可以采用不同材料组成的梁截面,而
BEAM44 则不可。同时 BEAM188/189 支持约束扭转 (截面翘曲变形),通过激活第七个自由度使用。

    ⑸  BEAM23/24 实常数的输入比较复杂。BEAM23 可输入矩形截面、薄壁圆管、圆杆和一般截面的几何尺寸来定义截面。BEAM24 则通过一系列的矩形段来定义截面。
    ⑹  荷载特性:梁单元大多支持单元跨间分布荷载、集中荷载和节点荷载。但 BEAM188/189 不支持跨间集中荷载和跨间部分分布荷载。特别注意的是梁单元的分布荷载是施加在单元上,而不是施加在几何线上。
    ⑺  应力计算:对于输入实常数的梁元,其截面高度仅用于计算弯曲应力和热应力,并且假定其最外层纤维到中性轴的距离为梁高的一半。因此关于水平轴不对称的截面,其应力计算是没有意义的。

1.2.3 管单元
    管单元是一类轴向拉压、弯曲和扭转的 3D 单元,单元的每个节点均具有 6 个自由度,即三个平动自由度 Ux、Uy、Uz 和三个转动自由度Rotx、Roty、Rotz,此类单元以 3D 梁元为基础,包含了对称性和标准管几何尺寸的简化特性。该类单元有直管、T型管、弯管和沉管四种单元类型,详细特性如表 1-6 所示。
    使用管单元应注意的其他问题:
    ⑴  管元长度、直径及壁厚均不能为零。
    ⑵  可计算薄壁管和厚壁管,但某些应力的计算是基于薄壁管理论的。
    ⑶  管单元计入了剪切变形的影响,并可考虑应力增强系数和挠曲系数。

ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客
 

1.2.4   2D 实体单元
    2D 实体单元是一类平面单元,可用于平面应力、平面应变和轴对称问题的分析,此类单元均位于 XY 平面内,且轴对称分析时 Y 轴为对称轴。单元由不同的节点组成,但每个节点的自由度均为 2 个(谐结构实体单元除外),即 Ux 和 Uy。

ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客
 

     各种 2D 单元的具体特性如表 1-7 所示。

            ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客

     使用 2D 单元时应注意的其他问题:
    ⑴   单元插值函数及说明: PLANE2  是协调元。PLANE42 可为协调元或为非协调元,退化时为常应变三角形单元。PLANE82 是 PLANE42 的高阶单元,采用 3 次插值函数。PLANE182 与 PLANE42 具有相同的插值函数,但无附加位移函数项;也可退化为 3 节点三角形。PLANE183 是 PLANE182 的高阶单元,与PLANE82的插值函数相同,也可退化为 6 节点三角形。

    P单元的插值函数可为 2~8 次,其中 PLANE145 是 8 节点四边形单元,而 PLANE146 是 6 节点的三角形单元。

    ⑵  荷载特性:

    大多支持单元边界的分布荷载及节点荷载,可考虑温度荷载,支持初应力文件等。特别地对平面应力输入单元厚度时,施加的分布荷载不是线荷载(力/长度),而是面荷载(力/面积);如果不输入单元厚度,则为单位厚度。
    ⑶  其它特点:
    四边形单元均可退化为三角形单元。
    除P单元和谐结构单元不支持读入初应力外,其余均支持。
    除 4 节点单元支持非协调选项外,其余都不支持。
    除 4 节点单元外,其余单元都适合曲边模型或不规则模型。

1.2.5   3D 实体单元
    3D 实体单元用于模拟三维实体结构,此类单元每个节点均具有三个自由度,即 Ux、Uy、Uz 三个平动自由度。

                  ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客

     各种单元的特性如表 1-8 所示。

                         ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客
 

     使用 3D 单元时应注意的问题:
    ⑴    关于 SOLID72/73 单元:SOLID72 是 4 节点四面体实体元,SOLID73 是 8 节点六面体实体元,这两个单元每个节点均具有 6  个自由度, 即 Ux,Uy,Uz,Rotx,Roty,Rotz。在较高版本的 ANSYS 中已不再推荐使用,帮助文件中也不再介绍,但用命令流仍然可用。原因之一是新的求解器 PCG 和 SOLID92/95 可以较好的解决原有的求解问题;之二是防止不同单元使用中“误用”转动自由度,例如与 BEAM 或 SHELL 混
合建模时误用转动自由度。

     ⑵ 其它特点:
    除 8 节点单元具有非协调单元选项外,其余均不支持
    除 8 节点单元外,其余均适合曲边模型或不规则模型
    除 10 节点单元不能退化外,其余单元皆可退化为棱柱体和四面体单元,且 SOLID95/186 又可退化为金字塔(也称宝塔)单元。
    ⑶ SOLID185 积分方式可选择:完全积分、减缩积分、增强应变模式和简化的增强应变模式。且 SOLID185/186/187 单元均具有位移插值模式和混合插值模式(u-P插值),以模拟几乎不可压缩的弹塑材料和完全不可压缩的超弹材料。

1.2.6   壳单元
    壳单元可以模拟平板和曲壳一类结构。壳元比梁元和实体元要复杂的多,因此壳类单元中各种单元的选项很多。如节点与自由度、材料、特性、退化、协调与非协调、完全积分与减缩积分、面内刚度选择、剪切变形、节点偏置等,应详细了解各种单元的使用说明。

    表 1-9  给出了板壳单元的简明特点。

              ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客

 

    上表节点自由度栏中:Uxyz 表示 Ux、Uy、Uz;Rxyz 表示 Rotx、Roty、Rotz。

    使用壳体单元时应注意的问题:
    ⑴  通常不计剪切变形的壳元用于薄板壳结构,而计入剪切变形的壳元用于中厚度板壳结构。当计入剪切变形的壳元用于很薄的板壳结构时,会发生“剪切闭锁”。为防止出现剪切闭锁,一般采用减缩积分或假设剪应变等方法,这两种方法对于 Timoshenko 梁效果是一样的,但对于板壳元是不同的。减缩积分比较常用,虽然有可能导致“零能模式”(zero energy mode),但一般是在板壳较厚且单元很少时发生,这在实际情况中出现的较少,且板壳较厚时可选择完全积分。

    ⑵  其它特点:
    除 8 节点壳元外均具有非协调元选项。
    除 SHELL28/51/61 外均可退化为三角形形状的单元。
    仅 SHELL181 支持读入初应力。
    仅 SHELL93/181 支持减缩积分。
    仅 SHELL43/63/143 具有面内 Allman  刚度选项,SHELL181 具有 Drill 刚度选项。
    大多数平板壳单元适合不规则模型和直曲壳模型,但一般限制单元间的交角不大于 15°。
    除 SHELL28 外,均支持变厚度、面荷载及温度荷载。

1.2.7 弹簧单元
    弹簧单元是一类专门模拟“弹簧”行为的单元,不同于用结构单元(如 LINK 等)的模拟。此类单元当用于一般弹簧时比较简单,而当具有控制作用时,则比较复杂。此类单元主要用于模拟铰销、轴向弹簧、扭簧及其控制行为,但都不考虑弯曲作用,且此类单元均无面荷载和体荷载。

    每个单元的功能和特性如表 1-10 所示,其详细使用方法参见相关资料。

              ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客

 1.2.8  质量单元
    MASS21 为具有 6 个自由度的点单元, 即只有一个节点,节点自自由度可为 Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz,通过不同设置可仅考虑 2D 或 3D 内的平动自由度及其组合,它每个坐标方向可以具有不同的质量和转动惯量。该单元无面荷载和体荷载,支持弹性、大变形和生死单元。

1.2.9  接触单元
    ANSYS  支持三种接触方式,即点对点、点对面和面对面的接触,接触单元是覆盖在模型单元的接触面之上的一层单元。点对点单元用于模拟点对点的接触行为,且预先知道接触位置;点对面单元用于模拟点对面的接触行为,预先不要确定接触位置,接触面之间的网格不要求一致;面对面单元用于模拟面对面的接触行为,支持低阶和高阶单元,支持大变形行为等。各种单元的特性如表 1-11 所示。

              ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客

 ①  节点自由度栏中 U---Ux,Uy,Uz(3D),T--Temp,V--Vol,A--Az,M--Mag,R—Rotz
 ②  CONTAC26(点对地基元)、CONTAC48/49(2D/3D 点面元)在高版本中不再支持。

 

1.2.10  矩阵单元
    MATRIX27 为刚度、阻尼、质量矩阵单元,可表示一种任意的单元。本单元具有两个节点,此两个节点可重合或不重合,每个节点有 6 个自由度,即 Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz。该单元无面荷载和体荷载,但支持单元生死功能。其矩阵可为对称或不对称形式,通过 Keyopt(3) 设置为刚度矩阵、或阻尼矩阵、或质量矩阵。本单元可模拟任意类型的单元,如可模拟特殊弹簧和节点柔性连接等。
    MATRIX50 为超单元,它是预先装配好的可独立使用的一组单元。该单元无节点和实常数,其自由度数目由所包含的单元决定,其面荷载和体荷载可通过总的载荷向量和比例系数施加,该单元支持大变形功能。该单元不能包含基于拉格朗日乘子的单元(如 MPC184 等),不支持非线性(忽略所包含的单元非线性)。超单元可包含其它超单元,2D 超单元只能用于二维分析,而 3D 超单元则只能用于三维分析。

1.2.11  表面效应单元
    SURF153 和 SURF154 分别为 2D 和 3D 结构表面效应单元,可用于各种荷载(法向、切向、法向渐变、输入矢量方向等)及表面效应(基础刚度、表面张力及附加质量等)情况,可覆盖于任何二维(轴对称谐结构单元 PLANE25/83 除外)和三维结构实体单元表面。
    此类单元的主要特性如表 1-12 所示。

              ANSYS 入门教程 (2) - htbbzzg - htbbzzg的博客

 1.2.12   预紧、多点约束、网分单元
    ⑴  PRETS179 为 2D/3D 预紧单元,用于定义网分后的二维或三维结构预紧区,可由任意结构单元(杆、梁、管、壳、2D 实体和 3D 实体)建立。该单元具有 3 个节点,每个节点具有一个自由度 Ux,该 Ux 为预紧方向的位移,ANSYS 通过几何条件将预紧力施加到指定的预紧荷载方向上,而不必考虑模型是如何定义的。
    该单元不支持面荷载和体荷载,仅支持非线性特性;不能使用约束方程和自由度耦合,NROTAT 命令不能用于节点 K,且 K 节点必须位于整体直角坐标系。

    ⑵ MPC184 为多点约束单元,有刚性杆、刚性梁、滑移、球形、销钉、万向接头的约束,适用于使用拉格朗日乘子的具有运动约束时情况,该单元可用于机构运动学,如起重机、挖掘机、汽车、机床和机器人等。
    该单元有 2 个或 3 个节点,每个节点具有 Ux、Uy(2D) 或 Ux、Uy、Uz(3D) 或Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz (3D) 自由度。无实常数和面荷载,支持温度荷载及转动或转动力矩,支持大变形和单元生死。

    ⑶  MESH200 是仅用来划分网格的单元,对计算结果毫无影响。它是为实现多步网格划分的操作而设计的。
    该单元可用于划分两维或三维空间的线,三维空间中的三角形、四边形、四面体或六面体单元组成的面或体,且均包括有或没有中间节点的情况。MESH200 单元可与任意其它单元一起使用,当不再需要它时,可以将其删除或保留。
    该单元可由 2~20个节点组成,且不具有自由度、材料特性、实常数及荷载。
    利用 EMODIF 命令可将 MESH200 单元转换成其它单元类型。

  评论这张
 
阅读(3926)| 评论(3)
推荐 转载

历史上的今天

在LOFTER的更多文章

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2016