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ANSYS 入门教程 (47) - 结构线性静力分析 (e)  

2010-09-07 07:48:00|  分类: ANSYS 入门基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

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三、  梁与壳体的连接

    2D 梁单元节点:UX、UY 和 ROTZ;
    3D 梁单元节点自由度:UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ 及 WARP
    板壳单元实际具有 5 个自由度:UX、UY、UZ、ROTX 和 ROTY。引入第 6 个即面内转动自由度 ROTZ,其意义与梁单元的 ROTZ 不同。
    2D实体单元节点自由度:UX 和 UY;
    3D实体单元节点自由度:UX、UY 和 UZ。
    由于梁壳体单元节点的自由度个数或自由度物理意义不同,因此要考虑梁单元与板壳单元、体单元连接时的自由度问题。
    梁与壳体的连接可分为如下 4 种情况讨论:
        ① 梁单元与壳体单元铰接时的情况;
        ② 2D 梁单元与 2D 实体单元刚接时的情况;
        ③ 3D 梁单元与板壳单元刚接时的情况;
        ④ 3D 梁单元与 3D 实体单元刚接时的情况。

 

1.   梁单元与壳体单元铰接
    因梁单元平动自由度与实体单元平动自由度物理意义相同,因此当梁单元与实体单元铰接时,只要具有公共节点就无需约束方程;或者不具有公共节点但具有重合的节点时,直接耦合节点的平动自由度即可。
    梁单元与板壳单元因有 5 个自由度物理意义相同,因此当单元间具有公共节点时,不是铰接,而是除 ROTZ 外的一种刚性连接。如果欲使梁单元与板壳单元铰接,就必须采用主从节点的方法,即无公共节点但在同一位置建立各自的节点,然后耦合平动自由度。或者,对于有节点自由度释放功能的梁,释放适当的节点自由度。

 

2.   2D 梁单元与 2D 实体单元刚接处理方法:
        ★ 约束方程法
        ★ 虚梁法
        ★ MPC法等。
    原理:建立自由度之间的关系方程。
    注意:由于所建立自由度之间的关系都采用了局部区域的节点,因此所得结果在局部范围内可能造成应力集中,后处理中应予以注意。

 

3.   3D 梁单元与板壳单元刚接
    梁单元与板壳单元有5个自由度物理意义相同,因此当单元间具有公共节点时,只需建立梁单元自由度 ROTZ 与板壳单元其他自由度之间的约束方程。
    3D 梁单元与板壳单元的刚性连接:
        ★ 梁与壳面垂直或穿过壳面
        ★ 梁包含在壳面内
        ★ 梁在壳面内但不包含


    ⑴  梁与壳面垂直或穿过壳面的情况
        梁垂直于板壳或穿过壳面的情况,可建立梁单元自由度 ROTZ 与板壳单元其他自由度之间的约束方程。

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     图 A 为一方板,在方板中心位置焊接一圆柱杆件,圆柱杆件顶端固结,方板四角作用有集中力。图 B 为梁与壳简化计算的几何模型,图 C 为有限元模型,图 D 为梁与壳连接点局部的单元的节点编号,按图中坐标系,节点 2 自由度 ROTZ 与其余节点自由度之间的关系为:

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     写成标准方程形式如下:

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        !  EX6.31 3D 梁单元与板壳单元刚接
        finish  $ /clear  $ /prep7
        l1=1.4  $ t=0.02  $ l2=1  $ r=0.1  $ p=20000  $ q=3000                   ! 板宽、板厚、柱高、柱半径、荷载
        et,1,shell63,,,2  $ et,2,beam189                                                          ! 定义两类单元:壳和梁单元
        mp,ex,1,2.1e11  $ mp,prxy,1,0.3  $ r,1,t                                             ! 定义材料性质及实常数(壳厚度)
        sectype,1,beam,csolid  $ secdata,r                                                    ! 定义梁截面及数据:实心圆柱
        blc5,,,l1,l1  $ wprota,,90  $ asbw,all                                                    ! 创建方板,并切分为 4 部分
        wprota,,,90  $ asbw,all  $ wpcsys,-1
        k,50,,,l2+t/2  $ kp0=kp(0,0,0)  $ l,50,kp0                                            ! 创建点 50、获取 0,0,0 处点号、连线
        lsel,s,loc,z,0.1,l2                                                                                    ! 选择(柱)线
        latt,1,,2,,,,1  $ lesize,all,,,4  $ lmesh,all                                                ! 赋予属性、定义划分个数、划分网格
        aatt,1,1,1  $ esize,0.1                                                                           ! 赋予面属性、定义单元尺寸
        mshape,0,2d  $ mshkey,1  $ amesh,all                                              ! 定义网格形状、划分类型、划分网格
        dk,50,all  $ fk,1,fy,p  $ fk,4,fx,p                                                             ! 在几何模型上施加约束和荷载
        fk,3,fy,-p  $ fk,2,fx,-p  $ fk,4,fz,-q  $ allsel,all
        ce,1,0,143,ux,1,23,ux,-1,2,rotz,ny(143)-ny(23)                                   ! 建立约束方程 1
        ce,2,0,92,uy,1,30,uy,-1,2,rotz,-(nx(92)-nx(30))                                    ! 建立约束方程 2
        /solu  $ solve  $ /post1  $ pldisp,1                                                        ! 求解并进入后处理等

    上述示例中,梁单元与壳单元共用节点,如不共用节点或各自节点独立,也可采用约束方程。如梁单元节点位于某个壳单元的某位置,需要编写除 ROTZ 外的其余自由度的约束方程;如果梁单元节点与壳单元节点位置重合,但各自独立,则需要将 ROTZ 外的自由度耦合。因此建议采用共用节点,只需编写关于 ROTZ 的约束方程,以减少工作量。
    如果采用刚性区法,可在节点 2 附近创建一刚性区(自动生成约束方程),即将该小区域的 SHELL 视为刚性,这样势必就增加了结构的刚性。当采用 MPC184 建立几个刚性梁单元时,情况与之类似,也增加了结构的刚性。因此,这两种方法的结果不如编写约束方程合理。

 

    ⑵   梁包含在壳面内的情况
    如带加劲肋的箱梁、模板、双壁围堰、正交异性桥面板等,其加劲肋可用梁单元模拟,板面用板壳单元模拟,即为梁包含在壳面内的情况。当然这种结构也可采用全壳单元模拟,除建模稍稍复杂一些外,计算费用方面相差并不很多。
    对这种梁包含在壳面内的情况,只要梁单元和壳单元共用节点即可,不必建立约束方程。 

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         ①  采用实体单元模拟;
        ②  采用全壳单元模拟;
        ③  采用梁壳单元模拟,梁单元与壳单元共用节点,需梁偏置或壳偏置;
        ④  采用梁壳单元模拟,梁单元与壳单元节点独立,但必须建立约束方程;
        ⑤  采用梁截面系列的梁单元,如 beam44 或 beam18x 单元等;
        ⑥  采用输入实常数系列的梁单元,如 BEAM4 等。
    以上方法各有利弊,不做讨论,此处仅仅考虑偏置梁壳单元模拟悬臂梁。其基本思路是创建面,切分面形成拟用梁单元模拟的线(简称梁线),即此梁线同时为组成面的线;定义梁截面和偏置量;赋予面和梁线属性、划分网格、加载、求解等。
    示例:
        !  EX6.32  梁包含在壳面内的情况 - 梁偏置
        finish  $ /clear  $ /prep7
        l=500  $ b1=200  $ b2=12  $ t=2  $ h=15                           ! 定义几何参数
        q1=0.01  $ q2=10                                                                  ! 定义 Q1(N/mm2)和Q2(N/mm)
        et,1,shell63  $ et,2,beam188                                                ! 定义单元类型 shell63 和 beam188
        mp,ex,1,2e5  $ mp,prxy,1,0.3  $ r,1,t                                    ! 定义材料性质和实常数(板厚)
        sectype,1,beam,rect                                                              ! 定义梁截面为矩形
        secdata,b2,h,3,3                                                                    ! 定义矩形截面数据及格栅数
        secoffset,user,0,h/2+t/2                                                         ! 将截面原点偏置到 (h+t)/2
        wprota,,90  $ rectng,-b1/2,b1/2,0,l                                        ! 旋转工作平面,创建矩形面
        wprota,,,90  $ asbw,all$wpcsys,-1                                        ! 旋转工作平面,切分面形成梁线
        lsel,s,tan1,x  $ lesize,all,,,50                                                  ! 选择纵向线、定义划分个数为 50
        lsel,s,tan1,z  $ lesize,all,,,10                                                  ! 选择横向线、定义划分个数为 10
        aatt,1,1,1  $ amesh,all                                                            ! 赋予面属性,划分单元
        k,100,,100,100                                                                       ! 创建关键点 100,用于梁截面的方向点
        lsel,s,loc,x,0  $ latt,1,,2,,100,,1                                              ! 选择梁线、赋予属性和截面 ID
        lmesh,all                                                                                  ! 对梁线划分单元
        lsel,s,loc,z,0$dl,all,,all                                                             ! 选择线、施加约束
        lsel,s,loc,x,b1/2  $ sfl,all,pres,q2                                           ! 选择线、施加分布荷载 Q2
        sfa,all,1,pres,q1  $ allsel,all                                                   ! 施加面荷载 Q1
        /solu  $ solve  $ /post1  $ pldisp,1                                        ! 求解及后处理等

 

     ⑶   梁在壳面内但不包含的情况
    此种情况为梁与板壳位于同一面内,但面不包含梁线,例如一工字形截面悬臂梁,承受竖向和横向均布面荷载作用,可用:
        ①  采用实体单元模拟;
        ②  采用全壳单元模拟;
        ③  采用任意梁单元,如 BEAM4、BEAM44 或 BEAM18x 系列等;
        ④  采用梁壳单元模拟,将梁单元插入到壳单元中至少一个壳单元长度,并共用节点;
        ⑤  采用梁壳单元模拟,共用节点,并在与梁连接的壳单元端部创建 MPC184 刚性梁单元;
        ⑥  采用梁壳单元模拟,共用节点,并在与梁连接的壳单元端部创建刚性区。
    分别采用不同的计算模型的计算结果比较接近,如表所示。
    在考虑梁壳结合的模型中,刚性梁和刚性区法较为方便。
 

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        !  EX6.33  梁在壳面内但不包含的情况 - 采用 MPC184 单元模拟连接部位
        finish  $ /clear  $ /prep7
        b0=0.1  $ h0=0.09  $ t0=0.01  $ l0=3                                       ! 定义几何参数
        et,1,shell63,,,2  $ et,2,beam188  $ et,3,mpc184,1                  ! 定义 3 种单元类型
        mp,ex,1,2.1e11  $ mp,prxy,1,0.3  $ r,1,t0                                 ! 定义材料属性及实常数
        sectype,1,beam,i  $ secdata,b0,b0,h0,t0,t0,t0                         ! 定义梁截面及其数据
        wprota,,90  $ blc4,,,b0,l0/2  $ agen,2,all,,,,h0-t0                      ! 旋转工作平面,创建上下翼板
        wpoff,b0/2  $ wprota,,,90  $ blc4,,,h0-t0,l0/2                            ! 移动并旋转工作平面,创建腹板
        aglue,all  $ wpcsys,-1                                                                 ! 粘接各板
        wpoff,,(h0-t0)/2  $ wprota,,90  $ asbw,all                                 ! 移动并旋转工作平面,切分腹板
        esize,b0/6  $ mshape,0  $ mshkey,1                                       ! 定义单元尺寸、形状、网分类型
        aatt,1,1,1  $ amesh,all                                                               ! 赋予面属性,划分单元
        kp0=kp(b0/2,(h0-t0)/2,l0/2)                                                       ! 得到与梁连接部位的关键点号
        k,100,kx(kp0),ky(kp0),l0  $ k,200,kx(kp0),l0,l0                       ! 创建两个关键点
        lsel,none  $ l,kp0,100  $ lesize,all,,,10                                     ! 选择线空集,创建线,定义划分
        latt,1,,2,,,200,,1  $ lmesh,all                                                      ! 赋予线属性,划分单元
        lsel,s,loc,z,l0/2  $ latt,1,,3  $ lmesh,all                                      ! 选择连接断面的线,并划分单元
        lsel,s,loc,z,0  $ dl,all,,all                                                             ! 选择线,施加所有约束
        asel,s,loc,y,h0-t0  $ sfa,all,1,pres,5000                                  ! 选择面,施加均布荷载(顶面)
        asel,s,loc,x,b0/2  $ sfa,all,1,pres,3000                                   ! 选择面,施加均布荷载(侧面)
        lsel,s,loc,z,l0/2+0.1,l0  $ esll,s                                                 ! 选择梁线及单元
        sfbeam,all,1,pres,5000*b0                                                      ! 施加均布线荷载(竖向)
        sfbeam,all,2,pres,-3000*(h0-t0)  $ allsel,all                            ! 施加均布线荷载(侧向)
        finish  $ /solu  $ solve  $ /post1                                               ! 求解后进入后处理

 

四、   3D 梁单元与 3D 实体单元刚接
    3D 梁单元与 3D 实体单元共用节点时其连接为铰接,如要刚性连接可通过建立约束方程、设置刚性区、MPC184 刚性梁等方法实现。CERIG 自动建立约束方程为较好方法。
    例如一尺寸为 B×H 的矩形截面悬臂梁,一部分采用实体单元,另一部分采用普通梁单元,两种单元的连接采用刚性区(CERIG 命令),其命令流如下:
        !  EX6.34 3D 梁单元与 3D 实体单元刚接---采用刚性区法
        finish  $ /clear  $ /prep7
        b=10  $ h=20  $ l1=100  $ l2=150                                  ! 定义梁宽、高、实体长度、普通梁长度
        a1=b*h  $ i1=b*h**3/12  $ i2=h*b**3/12                         ! 计算梁单元截面特性
        et,1,solid95  $ et,2,beam4                                               ! 定义两种单元,实体单元和 BEAM4 单元
        mp,ex,1,3e5  $ mp,prxy,1,0.3  $ r,1,a1,i1,i2,b,h            ! 定义材料性质和梁单元的实常数
        blc5,,,b,h,l1 $ wprota,0,90  $ vsbw,all                             ! 创建实体部分,旋转工作平面,切分体
        wprota,,,90  $ vsbw,all  $ wpcsys,-1                                ! 旋转工作平面,再次切分体

        kp0=kp(0,0,l1)  $ k,100,,,l1+l2  $ l,kp0,100                   ! 获取关键点,创建关键点和线
        lsel,s,loc,z,l1+1,l1+l2  $ latt,1,1,2                                    ! 选择普通梁线,赋予属性
        lesize,all,,,10  $ lmesh,all                                                 ! 定义划分单元数目,划分单元
        vatt,1,,1  $ esize,2.5  $ mshape,0  $ mshkey,1            ! 赋予体属性,定义单元形状和划分类型
        lsel,s,loc,z,1,l1-1  $ lesize,all,b/2                                    ! 选择实体部分纵向线,定义网分尺寸
        vmesh,all                                                                          ! 划分实体单元网格
        asel,s,loc,z,0  $ da,all,all                                                ! 选择固结端面,施加约束
        fk,100,fx,100  $ fk,100,fy,-200                                      ! 施加集中荷载
        nsel,s,loc,z,l1  $ cerig,1,all  $ alls,all                            ! 选择连接截面节点,创建刚性区
        /solu  $ solve  $ /post1  $  pldisp,1                              ! 求解并进入后处理

    上述例子中,如采用刚性区法也可不必切分几何体,即几何实体和梁线独立不共用关键点(也不共用节点),而通过建立刚性区连接其结果相同。

        !  EX6.34B  3D 梁单元与 3D 实体单元刚接 - 采用刚性区法,几何实体和梁各自独立建模
        finish  $ /clear  $ /prep7
        b=10  $ h=20  $ l1=100  $ l2=150                                 ! 定义梁宽、高、实体长度、普通梁长度
        a1=b*h  $ i1=b*h**3/12  $ i2=h*b**3/12                        ! 计算梁单元截面特性
        et,1,solid95  $ et,2,beam4                                              ! 定义两种单元,实体单元和 BEAM4 单元
        mp,ex,1,3e5  $ mp,prxy,1,0.3  $ r,1,a1,i1,i2,b,h           ! 定义材料性质和梁单元的实常数
        blc5,,,b,h,l1                                                                       ! 创建实体部分
        k,99,,,l1  $ k,100,,,l1+l2  $ l,99,100                                ! 创建两个关键点和线
        lsel,s,loc,z,l1+1,l1+l2  $ latt,1,1,2                                    ! 选择普通梁线,赋予属性
        lesize,all,,,10  $ lmesh,all                                                 ! 定义划分单元数目,划分单元
        vatt,1,,1  $ esize,2.5  $ mshape,0  $ mshkey,1             ! 赋予体属性,定义单元形状和划分类型
        lsel,s,loc,z,1,l1-1  $ lesize,all,b/2                                     ! 选择实体部分纵向线,定义网分尺寸
        vmesh,all                                                                            ! 划分实体单元网格
        asel,s,loc,z,0  $ da,all,all                                                  ! 选择固结端面,施加约束
        fk,100,fx,100  $ fk,100,fy,-200                                        ! 施加集中荷载
        nsel,s,loc,z,l1  $ cerig,1,all  $ alls,all                               ! 选择连接截面节点,创建刚性区
        /solu  $ solve  $ /post1  $ pldisp,1                                  ! 求解并进入后处理

 

五、    壳与体的连接

    板壳单元与 3D 实体单元当仅仅共用节点时其连接可认为是铰接,而刚性连接的实现也要通过约束方程,当然也可采用创建刚性区自动建立约束方程。
    如图所示结构,悬臂部分采用壳单元,其余采用实体单元,在壳与实体单元连接部位建立竖向刚性线,而不能将连接部位的整个面作为刚性区。
    为了减少约束方程的数量,建模时使壳单元与体单元共用节点;以壳单元的节点为主节点,以体单元的节点为从节点,考虑主节点的转动自由度与从节点 UX 和 UZ 建立约束方程,即建立刚性线自动生成约束方程。其基本方法是选择连接区域的节点,再从中选择 Y 向某一列节点,利用 CERIG 命令自动生成约束方程, 其命令如 CERIG,1,ALL,UX,UZ, 而不是 CERIG,1,ALL (LDOF 缺省 为ALL)。

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    命令流示例:

        !  EX6.35  壳与 3D 实体的刚性连接
        finish  $ /clear  $ /prep7
        h=2.4  $ b=2.0  $ l1=1.8  $ l2=3.0  $ t=0.3                           ! 定义几何参数
        q1=10000  $ q2=50000                                                         ! 定义面荷载值
        et,1,solid95  $ et,2,shell93                                                     ! 定义两类单元
        mp,ex,1,3.0e10  $ mp,prxy,1,0.2  $ r,1,t                               ! 定义材料性质及实常数
        blc4,,,b,h,l1  $ wpoff,,h-t/2,l1  $ wprota,,90  $ vsbw,all         ! 创建体,并用工作平面切分体
        blc4,,,b,l2  $ nummrg,all                                                          ! 创建面,粘接图素(面体共用线)
        vatt,1,,1  $ esize,t/2  $ vmesh,all                                            ! 赋予体属性和单元尺寸,划分体
        asel,s,loc,z,l1+t,l1+l2  $ aatt,1,1,2  $ amesh,all                    ! 选择面,赋属性,划分面
        sfa,all,1,pres,q1                                                                       ! 施加面荷载 Q1
        lsla,s  $ lsel,r,loc,x,b  $ sfl,all,pres,q2*t                                  ! 选择线,施加线荷载 Q2×T
        asel,s,loc,y,0  $ da,all,all  $ allsel,all                                      ! 选择面,施加约束
        nsel,s,loc,z,l1  $ nsel,r,loc,y,h-t,h                                            ! 选择连接区域的节点
        cm,nodcm,node                                                                      ! 定义节点元件,名为 nodcm
        *do,i,1,29  $ cmsel,s,nodcm  $ nsel,r,loc,x,nx(i)                   ! 循环选择某列节点
        cerig,i,all,ux,uz  $ *enddo$allsel,all                                        ! 创建刚性线,结束循环
        /solu  $ solve  $ /post1  $ pldisp,1                                         ! 求解进入后处理

 

六、  多种单元的组合结构

    根据实际结构的建模需要,一个模型中会出现多种单元的组合,但所有结构单元类出现在一个模型中的情况是很少的。经常出现的组合可能是杆单元(LINK 系列)、梁单元(BEAM 系列)、板壳单元(SHELL 系列)、实体单元(SOLID 系列)、弹簧单元(COMBIN 系列)、质量单元(MASS21)和接触单元,以及它们之间的某些单元的组合。各单元间的连接处理已在上述作了介绍,此处仅就两端固结梁的典型例子予以介绍。
    以 B×H 的矩形截面两端固结板梁为例,分别采用梁单元、壳单元、实体单元以及三者组合进行分析,其主要结果如表所示。
    表中位移单位为 mm,应力单位为 MPa。最后一行结果中,跨中应力上面一行是梁单元结果,下面一行是壳单元结果;固端应力上面一行是壳单元结果,下面一行是实体单元结果。所有模型中,梁单元采用 BEAM189,壳单元采用 SHELL93,实体单元采用 SOLID95。

                    ANSYS 入门教程 (47) - 结构线性静力分析 (e) - htbbzzg - htbbzzg的博客
 
    命令流示例:

        !  EX6.36  两端固结梁 - 梁壳体模型
        finish  $ /clear  $ /prep7
        !  定义几何参数、单元类型、材料性质、实常数、梁截面、创建模型
        b=300  $ h=30  $ l=2000  $ q1=0.1  $ q2=2  $ et,1,solid95  $ et,2,shell93  $ et,3,beam189
        mp,ex,1,2.1e5  $ mp,prxy,1,0.3  $ r,1,h  $ sectype,1,beam,rect  $ secdata,b,h
        blc4,,,b,h,l/4  $ wpoff,,h/2  $ wprota,,90  $ blc4,,l/4,b,l/4  $ vsbw,all  $ nummrg,all
        wpoff,b/2  $ wprota,,,90  $ vsbw,all  $ asbw,all
        k,100,b/2,h/2,l  $ k,200,b/2,l/2,l/2  $ l,kp(b/2,h/2,l/2),100
        !  赋予几何模型单元属性、定义划分尺寸、划分各种单元
        esize,h/2  $ vatt,1,,1  $ vmesh,all  $ asel,s,loc,z,l/4+1,l/2  $ aatt,1,1,2  $ amesh,all
        lsel,s,loc,z,l/2+1,l  $ latt,1,,3,,200,,1  $ lmesh,all
        !  选择面、线等,施加荷载与约束
        asel,s,loc,y,h  $ sfa,all,1,pres,q1  $ asel,s,loc,x,0  $ sfa,all,1,pres,q2
        asel,s,loc,z,l/4+1,l/2  $ sfa,all,1,pres,q1$lsel,s,loc,x,0$lsel,r,loc,z,l/4+1,l/2
        sfl,all,pres,q2*h  $ lsel,s,loc,z,l/2+1,l  $ esll,s  $ sfbeam,all,1,pres,q1*b
        sfbeam,all,2,pres,-q2*h  $ dk,100,all  $ asel,s,loc,z,0  $ da,all,all  $ allsel,all

        !  以下创建连接部位的约束方程
        nsel,s,loc,z,l/2  $ cerig,7986,all                      ! 梁单元与壳单元连接部位创建刚性区
        nsel,s,loc,z,l/4  $ cm,n1cm,node                    ! 选择壳与实体单元连接处的所有节点
        nsel,r,loc,y,h/2                                                  ! 从中选择壳单元的所有节点
        *get,nodtol,node,,count                                   ! 得到连接部位处壳单元节点总数
        *dim,nodenum,,nodtol                                     ! 定义数组,以存放壳单元的节点号
        *get,nodenum(1),node,,num,min
        !  获取最小节点号,并赋予数组;然后循环获取
        *do,i,2,nodtol  $ nodenum(i)=ndnext(nodenum(i-1))  $ *enddo
        *do,i,1,nodtol  $ cmsel,s,n1cm                      !  对连接处壳节点总数循环,并选择 N1cm 组件
        nsel,r,loc,x,nx(nodenum(i))                             !  从中选择与壳单元某节点 X 坐标相同的节点
        cerig,nodenum(i),all,ux,uz                              !  建立刚性线,主节点为壳单元的节点
        *enddo$allsel,all                                             !  循环结束,刚性线全部生成
        /solu  $ solve  $ /post1  $ pldisp,1                !  求解并进入后处理

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