ANSYS中SHELL181单元理解和参数详解.docx

ANSYS中SHELL181单元参数详解SHELL181单元说明:SHELL181单元适合对薄的到具有一定厚度的壳体结构进行分析。它是一个4结点单元，每个结点具有6个自由度：x,y,z方向的位移自由度和绕X,Y,Z轴的转动自由度。(如果应用了薄膜选项的话，那该单元则只有移动自由度了)。简并三角形选项只在该单元做为充填单元进行网格划分时才会用到。Shell181单元非常适用于分析线性的，大转动变形和非线性的大形变。壳体厚度的变化是为了适应非线性分析。在该单元的应用范围内，完全积分和降阶积分都是适用的。SHELL181单元阐明了以下（荷载刚度）分布压强的效果。SHELL181单元可以应用在多层结构的材料，如复合层压壳体或者夹层结构的建模。在复合壳体的建模过程中，其精确度取决于第一剪切形变理论（ 通常指明德林-雷斯那壳体理论）在解决许多有收敛困难的问题上，SHELL181单元可以用来替代SHELL43单元。参见ANSYS理论参考中的SHELL181单元介绍以了解有关该单元的更多细节问题。SHELL181输入数据其几何特性，节点的位置及坐标系参见图181.1 SHELL 181单元的几何图。 该单元由四个节点定义而成：I，J，K，L。该单元等式是基于对数应变和实际应力的测量的。从运动学来讲，该单元支持有限的薄膜应变（伸展）。但是，在一定时间内的曲线变化必须是小变化。你可以用实常数或者横截面定义来定义该单元的厚度或者其他的一些参数。用实常量来定义其参数只限于定义单层壳体。如果同时用实常数和一个有效的壳体横截面来定义SHELL181单元的话，实常数定义将被忽略。SHELL181单元同样适用用预整合的壳体横截面类型。当该单元用GENS类型横截面来定义时，厚度或者材料的定义就都不需要了。如果想了解更多的信息，请参见 预整合通用壳体横截面的使用。用实常数来定义厚度壳体单元的厚度可以在其各个节点定义，在该单元内，其厚度的变化被认为是光滑的。如果该单元各处的厚度一样，是个常数，那么只需输入I节点的厚度就可以了。如果该单元的厚度不是一个常数，那么所有四个节点处的厚度都必须输入。多层横截面定义同样，壳体厚度和其他常规的参数的设定也可以在横截面的定义中来完成。SHELL181单元与壳体横截面有关连（参见横截面类型命令描述）。壳体横截面定义相对实常数定义来讲更为普遍。壳体横截面操作可以定义多层的复合壳体，并可以通过各层的厚度提供的输入选项来指定其厚度，材料，倾向性和积分点的个数。需要注意的是，单层壳体也可以用壳体横截面定义来设定，但是却提供了较多的有伸缩性的选项，如利用ANSYS的功能创建器来定义厚度作为世界坐标系的一项功能和所用到的积分点的个数等。在横截面定义过程中，你可以在定义各层的厚度时指定积分点（1，3，5，7或者9）的位置。如果只有1个点，那么该点一般都在顶层和底层的中间；如果是3个或者更多，则有两个点分别位于顶层和底层的面上，剩下的点则均匀分布在这两点之间。当指定为5个点时，特殊情况就出现了，为了和用实常数输入选定的位置达成一致，四分之一点位置向距离他们最近层的表面移动了5个百分点。对每层来说，默认的输入点个数是3个。注意，当应用实常数定义时，ANSYS就用5个积分点。但是，当一个等厚度的单层结构用横截面定义十，默认的是3个积分点。为了得到相似的解，可以用SECDATA命令设定横截面点为5个。该单元默认的方向使得S1（壳体表面坐标）轴和该单元第一个参数方向在该单元中心连成一条直线。该单元的中心将LI和JK的中间边连接起来。最普遍的情况下，该轴可以这样定义：对于无畸变的单元，默认的方向性和坐标系系统中的描述是一样的（第一个面的方向和IJ边在同一条直线上）。对于空间翘曲的或者有畸变的单元，默认的方向性可以更好的表明应力状态，这是由于在该单元的范围内，它只用一个积分点（默认）。对与该单元来说，其第一表面S1的方向可以在THETA设定中被旋转一个指定的角度，同样，用SECDATE命令也可以达到同样的效果。对于一个单元来说，你可以在单元平面中指定一个单独的旋转角度值。如果用横截面定义的话，就可以用层的智能方向性了。你也可以用ESYS来定义单元的方向性。该单元支持简化为三角形形式。然而，除非被用做分网填充单元或有薄膜选项，建议不要用其三角形形式。其三角形式通常在薄膜选项中具有大挠度时才更为可靠。SHELL181单元用补偿法标准来描述板内位移组件的独立旋转自由度，ANSYS程序默认选择一个合适的刚度补偿。但是，如果需要的话，您可以用第十个实常数来改变默认值。该实常数的值是系统默认补偿刚度的比例因子。用较高的值的话，有利于模型中的大的非物理能量内容。因此，在改变默认值的时候请务必小心。当用横截面定义SHELL181单元时，钻刚度因素可以通过SECCONTROLS命令来指定。在Node and Element Loads中，描述了单元的荷载。如图181.1：SHELL181 Geometry中圈中的数字所示，压力可以按单元表面的面载荷来输入。边压按每单位长度来输入。TUNIF.在各层（1-1024最大）间外部面的角和内面的角处，温度可以当作单元体载荷莱输入。第一个角温度默认为TUNIF。如果所有的其他的温度都没有指定，则均默认为T1。如果KEYOPT(1)0，且NL1温度正确输入了，则第一个温度设定为各层底部四角温度，最后一个温度设定为顶部四个角的温度。如果KEYOPT(1)1，且NL温度正确输入了，则第一个温度设定为各层四个角的温度。也就是说，T1就是T1, T2, T3,和T4;T2就是T5, T6, T7,和T8，等。对于其他的输入面板，未指定的温度都默认为TUNIF。用KEYOPT(3),SHELL 181单元支持相同在不相容的模态下的缩减积分和全面积分。 默认情况下，该单元在非线性应用中为实行原因运用了相同的缩减积分。用沙漏控制下的缩减积分创建些应用的约束，尽管很小。例如，为了得到内板悬臂梁或者加强筋的弯曲数据（如图181.2 SHELL181典型弯曲应用），就需要在厚度方向设定一定数量的单元。该实行通过类似的缩减积分得到的成果足以抵消你对多单元的需求。在相对细化的网格划分中，沙漏问题是不切题的。如果用了缩减积分选项，你可以通过对比总能量和用沙漏控制得到的人工能量来检测结果的精确性。如果人工能和中能量的比率小于5，一般来说结果就是可以接受的。总能量和人工能量同样可以在求解阶段用OUTPR,VENG监控。当用完全积分时，双线形单元在内板弯曲中就会很硬。SHELL181用非协调模式法来提高挠度支配问题的精确性。该方法也称作附加形态或者泡沫模态法。SHELL181用该等式确保满足小块检验。当分析中包含非协调模态时，您必须用完全积分法。KEYOPT(3) = 2暗示包含了非协调模态和完全积分。对SHELL181单元，当指定KEYOPT(3) = 2时，它不含有任何模拟能量机制。这种SHELL181特殊的形式非常精确，甚至具有网眼。如果您遇到默认选项的与沙漏相关的问题，我们建议您用KEYOPT(3) = 2。如果网格划分有网眼而且单元的内板弯曲控制响应，KEYOPT(3) = 2也是必须的。我们建议各种层的应用问题都选用该选项。KEYOPT(3) = 2利用了最少使用限制。您可以一直选用该选项。您也可以通过选择最合适您问题的选项来改善单元的性能。该问题在图181。2“SHELL181典型弯曲的应用”有描述。图181。2“SHELL181典型弯曲的应用”悬臂梁和梁的横截面可以用壳体建模，这是板内弯曲占主导因素问题的典型例子。在这些情况下，选用KEYOPT(3) = 2是最有效的选择。缩减积分可能需要进行网格优化。例如，悬臂梁的缩减积分求解需要厚度方向的四个单元，反之，有非协调模态的完全积分则只需要厚度方向的一个单元。对于加强的壳体，最有效的选择就是：对壳体，用KEYOPT(3) = 0；对加强部分，用KEYOPT(3) = 2当指定KEYOPT(3) = 0时，对薄膜和弯曲模态，SHELL181单元会选用沙漏控制法。默认情况下，SHELL181单元会为金属和超弹性应用问题计算沙漏参数。您可以用实常数11和12而不管默认值。您可以增加分网密度或者选用完全积分选项（KEYOPT(3)=2）而不用改变沙漏刚度参数。当用到横截面定义时，你可能会需要通过SECCONTROLS命令指定沙漏刚度比例因子。SHELL181单元包含了横向剪切变形效果。巴氏德沃克林的一个假设的剪切应变等式可以用来缓和剪切锁定。该单元的横向剪切刚度是一个如下所示的2*2矩阵：在上述矩阵中，R7,R8,和R9是实常数7，8，和9。您可以忽略默认得横向剪切刚度值，而通过把不同的值赋给那些实常量。该选项对分析夹层结构的壳体实行有效的。另一方面，SECCONTROLS命令提供了对横向剪切刚度值的定义。对于各向同性的单层壳体结构，默认得横向剪切刚度是：在上述矩阵中，k = 5/6, G =剪切模量, h =壳体厚度.SHELL181单元可以用于分析线弹性，弹性塑料，蠕变或者超弹性材料的特性。对于弹性体，只有各向同性，各向异性和正交各向异性的线弹性特性可以输入。复杂综合应力等向硬化塑料模型可以被BISO（双线性等向硬化），MISO(多线性)，NLISO (非线性各向同性硬化)选项调用。运动学硬化塑料模型可以被BKIN (双线性运动硬化), MKIN and KINH (多线形运动硬化), and CHABOCHE (非线形运动硬化)所调用.调用塑料证明弹性特征是各向同性的。该单元也可以用超弹性材料的特征。泊松比用来指定材料的可压缩性。如果小于0，泊松比就会被设定为0；如果大于和等于0.5，泊松比则被设定为0.5。各向同性和各向异性热膨胀系数可以用MP,ALPX来输入。当用到超弹性时，各向同性膨胀就被选用。用BETAD命令来提供全局阻尼值。如果MP,DAMP被指定为单元材料号，则它为单元所用而不是BETAD命令的值。同样，用TREF命令来指定全局相关温度。如果MP,REFT用来指定材料定义材料单元编号，则它为单元所用而不是TREF命令的值。但如果是MP,REFT来定义层的材料号，则它是用来代替全局或者单元值的。在缩减积分和沙漏控制下(KEYOPT(3) = 0),如果质量矩阵不符合求积规则，则低频副振荡模将会出现. SHELL181单元用影射法有效的筛选出了单元内部结构到沙露面模式，为了有效性，必须使用一个连续的质量矩阵。若用该单元左模态分析，我们建议您设定LUMPM,OFF.集中质量选项可以被用在完全积分选项中（KEYOPT(3) = 2）.对于单层或多层壳体单元来说，KEYOPT(8) = 2用来存储中间面结果。如果您用了SHELL,MID,您将看到的是这些计算值，而不是顶部和底部结果的平均值。当顶部和底部的平均值不合适的时候，你应该用这个选项来得到正确的中见面的结果（薄膜结果）;例子中包含黑线性材料特性的中间面应力、应变 ，以及在包含诸如谱分析等测长操作的模态叠加之后的中间面结果。KEYOPT(9) = 1用来从用户子程序中读取初始厚度数据。你可以用ISTRESS或ISFILE命令将初始应力状态应用到该单元。如果需要了解更多信息，请参见ANSYS Basic Analysis Guide中的Initial Stress Loading .另一方面，你可以通过设置KEYOPT(10) = 1来从用户子程序USTRESS中读取初始应力。对于用户子程序的细节问题，请参见theGuide to ANSYS User Programmable Features.该单元自动包含压力载荷刚度的效果。如果压力载荷刚度效果需要非对称矩阵，请用NROPT,UNSYM.该单元的数据输入总结请见SHELL181 Input Summary. Element Input也给出了该单元输入数据的概述SHELL181单元输入参数总结节点：I,J,K,LI, J, K, L自由度：UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ如果KEYOPT(1) = 0UX, UY, UZ如果KEYOPT(1) = 1实常数TK(I), TK(J), TK(K), TK(L), THETA, ADMSUAE11, E22, E12, DRILL, MEMBRANE, BENDING若想了解更多的信息，请参见表181.1：SHELL181单元的实常数若SHELL181单元用一个有效的横截面类型定义，则输入的实常数数据将被忽略。材料特性EX, EY, EZ, (PRXY, PRYZ, PRXZ, or NUXY, NUYZ, NUXZ),ALPX, ALPY, ALPZ (or CTEX, CTEY, CTEZorTHSX, THSY, THSZ),DENS, GXY, GYZ, GXZ该单元只提供一次DAMP。也可能提供一次REFT或者被转到每一个层的基础上。请参见SHELL181 Input Summary以了解更多细节.面载荷压强-面1 (I-J-K-L) (底部,+N方向),面2 (I-J-K-L) (顶部,-N方向),面3 (J-I),面4 (K-J),面5 (L-K),面6 (I-L)体载荷温度-对KEYOPT(1) = 0 (Bending and membrane stiffness):T1, T2, T3, T4 (在1层的底部), T5, T6, T7, T8 (在1层和2层之间);类似的，对于在以下的各层之间的来说，温度的输入都结束在层NL(4*(NL+1)最大)的顶部.因此,对于单层单元，只需8个温度数据。对KEYOPT(1) = 1 (Membrane stiffness only):对于层1有T1, T2, T3, T4,对层2则有T5, T6, T7, T8,对所有的各层(4*NL maximum)设置都与上述类似.因此，对于单层单元，只需输入4个温度数据.特殊特征Special Features可塑性Plasticity超弹性Hyperelasticity黏弹性Viscoelasticity粘塑性Viscoplasticity蠕变Creep应力刚化Stress stiffening大挠度Large deflection大应变Large strain初始应力输入Initial stress import生与死Birth and death单元自动选择技术Automatic selection of element technologySection definition for layered shells and preintegrated shell sections for input of homogenous section stiffnesses支持和TB命令有关的以下一些类型数据表: ANEL, BISO, MISO, NLISO, BKIN, MKIN, KINH, CHABOCHE, HILL, RATE, CREEP, HYPER, PRONY, SHIFT, PLASTIC, and USER.注意：参见ANSYS, Inc. Theory Reference以获得更多的材料模型的细节资料。参见Automatic Selection of Element Technologies和ETCONTROL以获得更多的有关单元选择技术的信息。KEYOPT(1)单元刚度Element stiffness:0-弯曲和薄膜刚度（默认）Bending and membrane stiffness (default)1-薄膜刚度Membrane stiffness onlyKEYOPT(3)积分选项Integration option:0-有沙漏控制的缩减积分（默认）Reduced integration with hourglass control (default)2-不调和方式的完全积分Full integration with incompatible modesKEYOPT(8)指定层数据存储Specify layer data storage:0-存储底层底部数据和顶层顶部数据(多层单元) (默认)1-存储所有层顶部，底部的数据(多层单元)注意：数据存储量可能会超出限度而溢出.2-存储所有层顶部，中部，底部的数据;可以应用于多层和单层结构单元KEYOPT(9)用户厚度选项User thickness option:0-没有提供初始厚度的用户子程序(默认)1-从用户子程序UTHICK中读取初始厚度数据注意：参见theGuide to ANSYS User Programmable Features来熟悉用户子程序。KEYOPT(10)用户设定初始应力User-defined initial stress:0-无提供初始应力的用户子程序(默认)1-从用户子程序USTRESS中读取初始应力数据注意：S参见theGuide to ANSYS User Programmable Features来熟悉用户子程序。表181.1SHELL181单元的实常量No.NameDescription1TK(I)节点I处的厚度2TK(J)节点J处的厚度3TK(K)节点K处的厚度4TK(L)节点L处的厚度5THETA第一个面方向角度，以度为单位6ADMSUA每单位面积增加的质量7E11横向拉剪刚度28E22横向拉剪刚度29E12横向拉剪刚度210钻刚度因素Drill Stiffness Factor板内旋转刚度1,211薄膜HG因素Membrane HG Factor薄膜沙漏控制因素1,212弯曲HG因素Bending HG Factor弯曲沙漏控制技术1,21. 这些实常数的有效值可以是任何一个正数，不过，我们建议您用1到10之间的数字。如果您输入0.0的话，系统会默认为1.0。2. ANSYS提供了默认得数据值。*如果您用了横截面定义的话，请参见SECCONTROLS命令SHELL181输出数据和该单元有关的输出结果有两种形式: 包含所有节点解的节点位移 附加的单元输出数据请参见表181.2：SHELL181单元输出定义图181.3：SHELL181单元应力输出 中有几个项目的举例说明。KEYOPT(8)控制着用LAYER命令来处理的输出到结果文件中的数据量。内层剪切应力，如SYZ,SXZ，可以在层接触面处可以求得。KEYOPT(8)必须被设置成1或2才可以在POST1中输出这些应力。在Solution Output中有结果输出概述。请参见ANSYS Basic Analysis Guide来了解查勘结果文件的方法。由于薄膜应变和单元的曲率，其应力合成结果（如N11, M11, Q13,等)与单元坐标系是平行的。这些广义的应变只有在单元的质心才可以通过SMISC选项得到。横向剪切力Q13, Q23只有在合成力表中才可以得到，也就是说，用SMISC，7（或者8）。同样，横向剪切应变13和 23，通过厚度来讲，是常数而且只有作为SMISC的项目才可用（分别为SMISC,15和SMISC,16).SHELL181不仅仅支持大量的基础单元数据输出。POST1提供了相当全面的输出处理工具；因此我们建议您用OUTRES来确保您需要的数据存进了数据库中。图181.3：SHELL181单元应力的输出xo= Element x-axis if ESYS is not supplied.x = Element x-axis if ESYS is supplied.该单元的输出定义用以下符号来表示：在名称栏中，冒号表明该项可以通过组件命名法ETABLE,ESOL获得。栏目中的0表示该项存在输出文件Jobname.OUT中。栏目中的R则表明该项存在于结果文件中。在0和R栏目中，Y表明该项目一直可用（可以输出）。栏目中的数字表明该项只有在一定条件下才可以输出，“”则表明该项不可输出。表181.2:SHELL181单元输出定义表NameDefinitionOREL单元号和单元名称Element number and name-YNODES节点Nodes - I, J, K, L-YMAT材料编号Material number-YTHICK平均厚度Average thickness-YVOLU:体积Volume-YXC, YC, ZC结果输出位置Location where results are reported-4PRES压强：P1 at nodes I, J, K, L; P2 at I, J, K, L; P3 at J,I; P4 at K,J; P5 at L,K; P6 at I,L-YTEMPT1, T2, T3, T4在层1底部, T5, T6, T7, T8在层12之间，同样的，对其他层也是如此，直到顶层NL(4*(NL+1)最大)-YLOCTOP, MID, BOT, or积分点位置-1S:X, Y, Z, XY, YZ, XZ应力Stresses31S:INT应力强度Stress intensity-1S:EQV等效应力Equivalent stress-1EPEL:X, Y, Z, XY弹性应变Elastic strains31EPEL:EQV等效弹性应变Equivalent elastic strains 731EPTH:X, Y, Z, XY热应变Thermal strains31EPTH:EQV等效热应变Equivalent thermal strains 731EPPL:X, Y, Z, XY平均塑性应变Average plastic strains32EPPL:EQV等效塑性应变Equivalent plastic strains 732EPCR:X, Y, Z, XY平均蠕变应变Average creep strains32EPCR:EQV等效蠕变应变Equivalent creep strains 732EPTO:X, Y, Z, XY机械应变总和Total mechanical strains (EPEL + EPPL + EPCR)Y-EPTO:EQV等效机械应变总和Total equivalent mechanical strains (EPEL + EPPL + EPCR)Y-NL:EPEQ累积等效塑性应变Accumulated equivalent plastic strain-2NL:CREQ累积等效蠕变应变Accumulated equivalent creep strain-2NL:SRAT塑性弯曲Plastic yielding (1 =自动弯曲, 0 =不弯曲)-2NL:PLWK塑性功Plastic work-2NL:HPRES流体静力学压强Hydrostatic pressure-2SEND:ELASTIC, PLASTIC, CREEP应变能密度Strain energy densities-2N11, N22, N12板内力（每单元长度）In-plane forces (per unit length)-YM11, M22, M12板外力矩（每单元长度）Out-of-plane moments (per unit length)-8Q13, Q23横向剪切力（每单元长度）Transverse shear forces (per unit length)-811,22,12薄膜应变Membrane strains-Yk11, k22, k12曲率Curvatures-813,23横向剪切应变Transverse shear strains-8LOCI:X, Y, Z积分点位置Integration point locations-5SVAR:1, 2, . , N状态变量State variables-61.对顶部，中间，底层面来讲，下列应力结果重复出现。2.如果该单元含有优非线性材料的话，对顶面，中间面和底面来讲，将会有非线性结果输出。3.在单元坐标系中，应力，总和应变，塑性应变，弹性应变，蠕变应变和热应变都可以输出（通过厚度，在横截面的所有5个点上均可）4.对于*GET项目来讲，只有在质心才可以有输出。5.只有用OUTRES,LOCI时才可以有输出。6.只有当子程序USERMAT和TB,STATE应用时，才可以有输出。7.等效应变应用了有效泊松比：对弹性和热分析来说，泊松比由用户来设定(MP,PRXY);对于塑性和蠕变分析来讲，泊松比被设定为0.5。8.如果用到薄膜单元选项的话(KEYOPT(1) = 1)，则没有输出。表181.3：“SHELL181项目和序号” 用序号法列出了可通过ETABLE输出的项目。参见ANSYS Basic Analysis Guide中的Creating an Element Table和本手册中的The Item and Sequence Number Table.下边列出了在表181.3：“SHELL181项目和序号”中应用到的符号。名称Name输出量如表181.2：“SHELL181单元输出定义” 所定义。项目Item为ETABLE预设定的项目标签E为单值或常数等单元数据设定的序号I,J,K,L在节点I,J,K,L处的序号表181.3 SHELL181的输出项目和序号输出量名称ETABLE和ESOL命令输出ItemEIJKLN11SMISC1-N22SMISC2-N12SMISC3-M11SMISC4-M22SMISC5-M12SMISC6-Q13SMISC7-Q23SMISC8-11SMISC9-22SMISC10-12SMISC11-k11SMISC12-k22SMISC13-k12SMISC14-13SMISC15-23SMISC16