ANSYS中单元类型介绍和单元的选择ppt课件.ppt

ANSYS中单元类型介绍和单元的选择原则 ANSYS中单元类型的选择 初学ANSYS的人 通常会被ANSYS所提供的众多纷繁复杂的单元类型弄花了眼 如何选择正确的单元类型 也是新手学习时很头疼的问题 单元类型的选择 跟你要解决的问题本身密切相关 在选择单元类型前 首先你要对问题本身有非常明确的认识 然后 对于每一种单元类型 每个节点有多少个自由度 它包含哪些特性 能够在哪些条件下使用 在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述 要结合自己的问题 对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型 1 该选杆单元 Link 还是梁单元 Beam 这个比较容易理解 杆单元只能承受沿着杆件方向的拉力或者压力 杆单元不能承受弯矩 这是杆单元的基本特点 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 如果你非要用实体单元 也是可以的 但是这样计算量就大大增加了 而且 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 除了shell63 shell93之外 还有很多其他的shell单元 譬如shell91 shell131 shell163等等 这些单元有的是用于多层铺层材料的 有的是用于结构显示动力学分析的 一般新手很少涉及到 通常情况下 shell63单元就够用了 3 实体单元的选择 实体单元类型也比较多 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 其中把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超弹性材料 Solid92 solid187可以归为第二类 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 实际选用单元类型的时候 到底是选择第一类还是选择第二类呢 也就是到底是选用六面体还是带中间节点的四面体呢 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 新手最容易犯的一个错误就是选用了第一类单元类型 六面体单元 但是 在划分网格的时候 由于结构比较复杂 六面体划分不出来 单元全部被划分成了四面体 也就是退化的六面体单元 这种情况 计算出来的结果的精度是非常糟糕的 有时候即使你把单元划分的很细 计算精度也很差 这种情况是绝对要避免的 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 前面把常用的实体单元类型归为2类了 对于同一类型中的单元 应该选哪一种呢 通常情况下 同一个类型中 各种不同的单元 计算精度几乎没有什么明显的差别 选取的基本原则是优先选用编号高的单元 比如第一类中 应该优先选用solid185 第二类里面应该优先选用solid187 ANSYS的单元类型是在不断发展和改进的 同样功能的单元 编号大的往往意味着在某些方面有优化或者增强 对于实体单元 总结起来就一句话 复杂的结构用带中间节点的四面体 优选solid187 简单的结构用六面体单元 优选solid185 土木计算过程中常用的单元和材料类型 一 单元 1 link 杆 系列 link1 2D 和link8 3D 用来模拟珩架 注意一根杆划一个单元 link10用来模拟拉索 注意要加初应变 一根索可多分单元 link180是link10的加强版 一般用来模拟拉索 2 beam 梁 系列 beam3 2D 和beam4 3D 是经典欧拉梁单元 用来模拟框架中的梁柱 画弯据图用etab读入smisc数据然后用plls命令 注意 虽然一根梁只划一个单元在单元两端也能得到正确的弯矩图 但是要得到和结构力学书上的弯据图差不多的结果还需多分几段 该单元需要手工在实常数中输入Iyy和Izz 注意方向 beam44适合模拟薄壁的钢结构构件或者变截面的构件 可用 eshape 1 显示单元形状 beam188和beam189号称超级梁单元 基于铁木辛科梁理论 有诸多优点 考虑剪切变形的影响 截面可设置多种材料 可用 eshape 1 显示形状 截面惯性矩不用自己计算而只需输入截面特征 可以考虑扭转效应 可以变截面 8 0以后 可以方便地把两个单元连接处变成铰接 8 0以后 用ENDRELEASE命令 缺点是 8 0版本之前beam188用的是一次形函数 其精度远低于beam4等单元 一根梁必须多分几个单元 8 0之后可设置 KEYOPT 3 2 变成二次形函数 解决了这个问题 可见188单元已经很完善 建议使用 beam189与beam188的区别是有3个结点 8 0版之前比beam188精度高 但因此建模较麻烦 8 0版之后已无优势 3 shell 板壳 系列 shell41一般用来模拟膜 shell63可针对一般的板壳 注意仅限弹性分析 它的塑性版本是shell43 加强版是shell181 注意18 系列单元都是ansys后开发的单元 考虑了以前单元的优点和缺陷 因而更完善 优点是 能实现shell41 shell63 shell43 的所有功能并比它们做的更好 偏置中点很方便 比如模拟梁版结构时常要把板中面望上偏置 可以分层 等等 4 solid 体 系列 土木中常用的就solid45 46 65 95等 45就不用多说了 95是它的带中结点版本 solid46可以容忍单元的长厚比达到20比1 可以用来模拟钢板碳纤维板钢管等 solid65是专门的混凝土单元 可以考虑开裂 这个讨论得很多了 清华的陆新征写的一个讲义 里面有详细解释 5 combin 弹簧 系列 常用的有7 14 39 40等 7可以用来模拟铰接点 14是最简单的带阻尼弹簧 39是非线性弹簧 在实常数中可以灵活定义力 位移关系 可用来模拟钢筋与混凝土的粘结滑移等 40可模拟隔震结构 据说 6 contact 接触 系列常用的有conta52 可用来模拟橡胶垫支座 这个很简单 可以用命令流添加 eintf TARGE16 和CONTA17 系列可用接触向导添加 三维的接触往往会造成收敛困难 和混凝土非线性分析一样 需要凭经验调参数反复试算 二 材料 弹性部分 必需 用MP命令输入 非线性部分用TB命令输入 1 TB DP即Drucker Prager模型 ansys中唯一用来模拟土的模型 可以和几乎所有单元类型 2维和3维 配合使用 所以有时也会在计算2维的混凝土模型时用到它 2 TB CONCR用来模拟混凝土 采用w w五参数破坏准则 只能和solid65配合使用 同样参见陆新征的讲义 3 TB BKIN BISO MKIN MISO 一般用来模拟钢材 双线形随动强化 双线形等向强化 多线形随动强化 多线形等向强化 模型 顾名思义 双线形和多线形的区别就是应力应变曲线是两段还是很多段 随动强化和等向强化的区别就是考不考虑包辛格效应 如果不和其他准则配合的话 默认是vonmises屈服准则 单元类型选择概述 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 单元类型选择方法 1 设定物理场过滤菜单 将单元全集缩小到该物理场涉及的单元 2 根据模型的几何形状选定单元的大类 如线性结构则只能用 Plane Shell 这种单元去模拟 3 根据模型结构的空间维数细化单元的类别 如确定为 Beam 单元大类之后 在对话框的右栏中 有2D和3D的单元分类 则根据结构的维数继续缩小单元类型选择的范围 4 确定单元的大类之后 又是也可以根据单元的阶次来细分单元的小类 如确定为 Solid Quad 此时有四种单元类型 Quad4node42Quad4node183Quad8node82Quad8node183前两组即为低阶单元 后两组为高阶单元 5 根据单元的形状细分单元的小类 如对三维实体 此时则可以根据单元形状是 六面体 还是 四面体 确定单元类型为 Brick 还是 Tet 6 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 此时有三种单元类型可供选择 如下 2Delastic32Dplastic232Dtapered54 根据分析问题是弹性还是塑性确定为 Beam3 或 Beam4 若是变截面的非对称的问题则用 Beam54 7 进行完前面的选择工作 单元类型就基本上已经定位在2 3种单元类型上了 接下来打开这几种单元的帮助手册 进行以下工作 仔细阅读其单元描述 检查是否与分析问题的背景吻合 了解单元所需输入的参数 单元关键项和载荷考虑 了解单元的输出数据 仔细阅读单元使用限制和说明 Mass21是由6个自由度的点元素 x y z三个方向的线位移以及绕x y z轴的旋转位移 每个自由度的质量和惯性矩分别定义 Link1可用于各种工程应用中 根据应用的不用 可以把此元素看成桁架 连杆 弹簧 等 这个2维杆元素是一个单轴拉压元素 在每个节点都有两个自由度 X y 方向 铰接 没有弯矩 Link8可用于不同工程中的杆 可用作模拟构架 下垂电缆 连杆 弹簧等 3维杆元素是单轴拉压元素 每个点有3个自由度 X y z方向 作为铰接结构 没有弯矩 具有塑性 徐变 膨胀 应力强化和大变形的特性 Link103维杆元素 具有双线性劲度矩阵的特性 单向轴拉 或压 元素 对于单向轴拉 如果元素变成受压 则硬度就消失了 此特性可用于静力钢缆中 当整个钢缆模拟成一个元素时 当需要静力元素能力但静力元素又不是初始输入时 也可用于动力分析中 该元素是shell41的线形式 keyopt 1 2 cloth 选项 如果分析的目的是为了研究元素的运动 没有静定元素 可用与其相似但不能松弛的元素 如link8和pipe59 代替 当最终的结构是一个拉紧的结构的时候 Link10也不能用作静定集中分析中 但是由于最终局于一点的结果松弛条件也是有可能的 在这种情况下 要用其他的元素或在link10中使用 显示动力 技术 Link10每个节点有3个自由度 x y z方向 在拉 或压 中都没有抗弯能力 但是可以通过在每个link10元素上叠加一个小面积的量元素来实现 具有应力强化和大变形能力 Link11用于模拟水压圆筒以及其他经受大旋转的结构 此元素为单轴拉压元素 每个节点有3个自由度 X y z方向 没有弯扭荷载 Link180可用于不同的工程中 可用来模拟构架 连杆 弹簧 等 此3维杆元素是单轴拉压元素 每个节点有3个自由度 X y z方向 作为胶接结构 不考虑弯矩 具有塑性 徐变 旋转 大变形 大应变能力 link180在任何分析中都包括应力强化项 分析中 nlgeon on 此为缺省值 支持弹性 各向同性硬化塑性 运动上的硬化塑性 希尔各向异性塑性 chaboche非线性硬化塑性和徐变等 Beam4是具有拉压扭弯能力的单轴元素 每个节点有6个自由度 x y z 绕x y z轴 具有应力强化和大变形能力 在大变形分析中 提供了协调相切劲度矩阵选项 Beam23单轴元素 拉压和受弯能力 每个节点有3个自由度 该元素具有塑性 徐变 膨胀能力 如果这些影响都不需要 可使用beam3 2维弹性梁 Beam243维薄壁梁 单轴元素 任意截面都有拉压 弯曲和St Venant扭转能力 可用于任何敞开的和单元截面 该元素每个节点有6个自由度 x y z和绕x y z方向 该元素在轴向和自定义的截面方向都具有塑性 徐变和膨胀能力 若不需要这些能力 可用弹性梁beam4或beam44 Pipe20和beam23也具有塑性 徐变和膨胀能力 截面是通过一系列的矩形段来定义的 梁的纵轴向方向由第三个节点指明 Beam443维弹性锥形不对称梁 单轴元素 具有拉压扭和弯曲能力 该元素每个节点有6个自由度 x y z和绕x y z方向 该元素允许每个端点具有不均匀几何特性 并且允许端点与梁的中性轴偏移 若不需要这些特性 可采用beam4 该元素的2维形式是beam54 该元素也提供剪应变选项 还提供了输出作用于单元上的与单元同方向的力的选项 具有应力强化和大变形能力 Beam54单轴元素 拉压和受弯能力 每个节点有3个自由度 该元素允许在端点有不均匀几何性质 允许端点偏移梁的轴心 无塑性徐变或膨胀能力 有应力强化能力 剪切变形和弹性基础影响也体现在选项中 还可打印作用于元素上的沿元素方向的力 Beam1883维线性有限应力梁 适用于分析短粗梁结构 该元素基于timoshenko梁理论 包括剪应变 Beam188是一个三维线性 2节点 梁 每个节点有6或7个自由度 具体依赖于keyopt 1 的值 Keyopt 1 0为每个节点6个自由度 包括x y z方向和绕x y z方向 1还考虑了扭转自由度 该元素适用于线性 大旋转和大应变非线性 包括应力强化项在任何分析中 都缺省为nlgeom on 该选项为元素提供了分析曲屈 侧移和扭转的能力 Beam1893维二次有限应力梁 适用于分析短粗梁结构 该元素基于timoshenko梁理论 包括剪应变 Beam189是一个三维二次 3节点 梁 每个节点有6或7个自由度 具体依赖于keyopt 1 的值 Keyopt 1 0为每个节点6个自由度 包括x y z方向和绕x y z方向 1还考虑了扭转自由度 该元素适用于线性 大旋转和大应变非线性 包括应力强化项在任何分析中 都缺省为nlgeom on 该选项为元素提供了分析曲屈 侧移和扭转的能力 Plane22维6节点3角形结构实体 具有二次位移 适用于模拟不规则网格 该元素有6个结点定义 每个节点2个自由度 分比为x y方向 可将其用于平面单元 平面应力或平面应变 或是轴对称单元 具有塑性 徐变 膨胀 应力强化 大变形 大应变能力 Plane25轴对称协调4节点结构体 用于承受非轴对称荷载的2维轴对称结构 如弯曲 剪切或扭转 该元素由4个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 对于非扭转节点 这3个方向分别代表半径 轴向和切线方向 给元素是plane42的一般模式 2为结构单元 和在不一定为轴对称 Plane422维实体 该元素即可用于平面单元 平面应力或平面应变 也可用于轴对称单元 该元素由4个节点定义 每个节点2个自由度 x y方向 具有塑性 徐变 膨胀 应力强化 大变形 大应变能力 Plane82二维8节点实体 该元素是plane42的高次形式 它为混合 四边形 三角形 自动网格划分提供了更精确的求解结果 并能承受不规则形状而不会产生任何精度上的损失 8节点元素具有位移协调形状 适用于模拟弯曲边界 该元素由8个节点定义 每个节点2个自由度 x y方向 可用于平面单元也可用于轴对称单元 具有塑性 徐变 膨胀 应力强化 大变形 大应变能力 并提供不同的输出选项 Plane83二维8节点实体 用于承受非轴对称荷载的2维轴对称结构 如弯曲 剪切或扭转 该元素每个节点3个自由度 x y z方向 对于非扭转节点 这3个方向分别代表半径 轴向和切线方向 该元素是plane25的高次形式 它为混合 四边形 三角形 自动网格划分提供了更精确的求解结果 并能承受不规则形状而不会产生任何精度上的损失 该元素也是plane82的一般轴向形式 其荷载不需要对陈 Plane145二维四边形实体p 元素 Plane145是一个四边形p 元素 支持最高为8次的多项式 该元素由8个节点定义 每个节点2个自由度 x y方向 可用于平面单元也可用于轴对称单元 Plane146二维三角形实体p 元素 Plane145是一个三角形p 元素 支持最高为8次的多项式 该元素由6个节点定义 每个节点2个自由度 x y方向 可用于平面单元也可用于轴对称单元 Plane1822维4节点实体 该元素用于2维模型 可用于平面单元也可用于轴对称单元 该元素由4个节点定义 每个节点2个自由度 x y方向 可用于平面单元也可用于轴对称单元 具有塑性 超弹性 应力强化 大变形 大应变能力 可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形 Plane1832维8节点实体 具有二次位移 适用于模拟不规则网格 该元素由8个节点定义 每个节点2个自由度 x y方向 可用于平面单元也可用于轴对称单元 具有塑性 超弹性 应力强化 大变形 大应变能力 可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形 支持初始应力 并提供不同的输出选项 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 提供带有沙漏控制的缩减选项 各向异性选用solid64 solid45的高次形式使用solid95 Solid463维8节点分层实体 是solid45的分层形式 用于模拟分层壳或实体 该元素允许达到250层 如果需要超过250层 需要用到一个构成矩阵选项 该元素也可通过选择的方法进行累积 每个节点有3个自由度 x y z方向 Solid643维各向异性实体 该元素有8个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 具有应力强化和大变形能力 提供限制特大位移以及定义输出位置的选项 该元素有各种不同的应用 如用于晶体和合成物 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 Solid923维10节点四面体结构实体 具有二次位移 适用于模拟不规则网格 该元素由10个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 具有塑性 徐变 膨胀 应力强化 大变形 大应变能力 Solid953维20节点实体 该元素是solid45的高次形式 能够用于不规则形状 而且不会在精度上有任何损失 该元素具有位移协调形状 适用于模拟弯曲边界 该元素由20个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 该元素具有空间的任何方向 并具有塑性 徐变 膨胀 应力强化 大变形 大应变能力 同时提供多种输出选项 Solid1473维砖实体p 元素 可支持最高为8次的多项式 该元素由20个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 该元素具有空间的任何方向 Solid1483维四面体实体p 元素 可支持最高为8次的多项式 该元素由10个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 Solid1853维8节点实体 该元素用来模拟3维实体 由8个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 具有塑性 超弹性 应力强化 徐变 大变形 大应变能力 可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形 Solid1863维20节点实体 具有二次位移 适用于模拟不规则网格 该元素由20个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 该元素具有空间的任何方向 具有塑性 超弹性 应力强化 徐变 大变形 大应变能力 可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形 同时提供多种输出选项 Solid1873维10节点四面体实体 具有二次位移 适用于模拟不规则网格 该元素由10个节点定义 每个节点3个自由度 x y z方向 该元素具有空间的任何方向 具有塑性 超弹性 应力强化 徐变 大变形 大应变能力 可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形 Solid1913维20节点分层实体 是solid95的分层形式 用于模拟分层的壳或实体 该元素允许达到100层 如果超过100层 可通过累积的方法得到 该元素由20个节点定义 每个节点有3个自由度 x y z方向 具有应力强化能力 同时提供多种输出选项 Shell28剪扭面板 该元素用来在框架结构中传递剪力 该元素每个节点3个自由度 x y z方向或绕x y z轴旋转方向 Shell41薄膜壳 该元素为3为元素 有膜刚度没有弯曲刚度 用于弯曲处于次要位置的壳结构 该元素每个节点3个自由度 x y z方向 该元素具有可变厚度 应力强化 大应变和cloth选项 Shell434节点塑性大应变桥 尤其适用于模拟线性 弯曲 中厚度壳结构 该元素每个节点3个自由度 x y z方向和绕x y z轴旋转方向 在平面内的所有方向 变形都是线性的 对于平面外运动 可使用混合张量差值法 该元素具有塑性 徐变 应力强化 大变形 大应变能力 Shell51轴对称壳 每个节点有4个自由度 x y z方向和绕z轴旋转方向 圆锥壳元素的极限方向会产生圆柱桥或圆环壳 该壳单元具有线性变化的厚度 具有塑性 徐变 膨胀 应力强化 大变形 扭转能力 Shell61轴对称协调壳体 该元素每个节点4个自由度 x y z方向和绕z轴旋转方向 荷载可以是轴对称的也可以是非轴对称的 Shell63弹性壳 具有弯矩和薄膜特性 可承受与平面同方向及法线方向的荷载 每个节点6个自由度 x y z方向和绕x y z轴方向 有应力强化和大变形能力 提供用于大变形分析的连续性相切矩阵 Shell91非线性分层壳体 该元素用于分层