1.2 ANSYS 结构分析单元功能与特性.docx

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：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。 使用杆单元应注意的问题： 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。 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。 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。 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。 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）。使用梁单元需要应注意的问题： 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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： 管元长度、直径及壁厚均不能为零。 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。 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。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。 各种 2D 单元的具体特性如表 1-7 所示。 使用 2D 单元时应注意的其他问题： 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 28 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。 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。 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。 各种单元的特性如表 1-8 所示。 使用 3D 单元时应注意的问题： 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。 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。 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。 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： 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。 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。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。 节点自由度栏中 U-Ux，Uy，Uz(3D)，T-Temp，V-Vol，A-Az，M-Mag，RRotz 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。1.2.12 预紧、多点约束、网分单元 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。 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、