第二讲单元与材料类型

1、LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用1 硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2014）第第1章章ANSYS与结构分析与结构分析1.1 ANSYS功能与软件结构功能与软件结构1.2 结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.3 结构分析材料类型与特点结构分析材料类型与特点1.4 结构分析与结构建模结构分析与结构建模1.5 结构分析的基本过程结构分析的基本过程LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODU

2、CTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用21.1ANSYS功能与软件结构功能与软件结构1.1.1 1.1.1 处理器处理器LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用31.1ANSYS功能与软件结构功能与软件结构1.1.21.1.2文件格式文件格式LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用41.1ANSYS功能与软件结构功能与软件结构1.1.3

3、 1.1.3 输入方式输入方式 ANSYS ANSYS的输入方式常规可分为菜单方式、命令方式、宏方的输入方式常规可分为菜单方式、命令方式、宏方式、函数方式、文件方式等。从使用角度分为两大类，即式、函数方式、文件方式等。从使用角度分为两大类，即GUIGUI（Graphical User InterfaceGraphical User Interface）方式和命令流方式）方式和命令流方式。 GUI GUI方式包括菜单、命令、函数其组合，即通过点选菜单方式包括菜单、命令、函数其组合，即通过点选菜单或输入单个命令的方式。菜单方式是用鼠标在菜单上进行选或输入单个命令的方式。菜单方式是用鼠标在菜单上进行

4、选取，通过对话框完成各种操作；命令方式是从命令行输入命取，通过对话框完成各种操作；命令方式是从命令行输入命令及命令域的值，因令及命令域的值，因ANSYSANSYS提供联想式命令提示；函数方式也提供联想式命令提示；函数方式也是从命令行中输入，但仅输入命令本身，其命令域的值将通是从命令行中输入，但仅输入命令本身，其命令域的值将通过对话框输入。过对话框输入。GUIGUI方式的特点是简单、易学，但对于复杂模方式的特点是简单、易学，但对于复杂模型或实际模型的修改等比较麻烦。型或实际模型的修改等比较麻烦。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUC

5、TION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用51.1ANSYS功能与软件结构功能与软件结构1.1.3 1.1.3 输入方式输入方式命令流方式是融命令流方式是融GUI 方式、方式、APDL、UPFs、UIDL、MAC，甚至甚至TCL/TK于一个文本文件中，可通过于一个文本文件中，可通过/input命令（或命令（或Utility MenuFileRead Input From）读入并执行，也）读入并执行，也可通过拷贝该文件的内容粘贴到命令行中执行。命令流方式可通过拷贝该文件的内容粘贴到命令行中执行。命令流方式可包含上述多种方式，例如仅仅将命令罗列起来相当于命令可包含上述多种方式，例如

6、仅仅将命令罗列起来相当于命令方式，这对于初学者而言可能更容易接受。方式，这对于初学者而言可能更容易接受。命令流方式的主要优点有：命令流方式的主要优点有：修改简单：不必考虑因操作错误造成模型的重大损失，也修改简单：不必考虑因操作错误造成模型的重大损失，也不必考虑不必考虑DB文件的重要性而不断保存；可以随时修改参数文件的重要性而不断保存；可以随时修改参数进而改变几何模型和有限元模型等，一切都变得那么简单和进而改变几何模型和有限元模型等，一切都变得那么简单和方便。方便。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用

7、有限元程序ANSYS及其应用61.1ANSYS功能与软件结构功能与软件结构1.1.3 1.1.3 输入方式输入方式可使用控制命令：类似如可使用控制命令：类似如if-then、do等控制命令的使用可等控制命令的使用可大大提高工作效率。大大提高工作效率。可结合用户界面处理：可将其它用户界面相关的命令融于可结合用户界面处理：可将其它用户界面相关的命令融于命令流中。命令流中。文件处理更加方便：文件的输入和输出可由用户控制，数文件处理更加方便：文件的输入和输出可由用户控制，数据的处理将极其方便。据的处理将极其方便。交流和保存方便：命令流文件比较小便于保存，对于相互交流和保存方便：命令流文件比较小便于保存

8、，对于相互交流学习甚为方便。交流学习甚为方便。所以强烈推荐使用命令流方式进行操作！所以强烈推荐使用命令流方式进行操作！LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用71.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用81.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.1 杆单元杆单元 杆单元适用于

9、模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。杆单元适用于模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。该类单元该类单元只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点只有平只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点只有平动自由度动自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、大。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）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，、应力刚化（也称几何刚度、初始应力刚度等）等功能，表表1-4是该类单元较详细的特性。是该类单元较详细的特性。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSY

10、SLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用91.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.1 杆单元杆单元杆单元特性杆单元特性 表表1-4 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用101.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.1 杆单元杆单元E-弹性弹性(Elasticity)，P-塑性塑性(Plasticity)，C-蠕变蠕变(Creep)，S-膨胀膨胀(Swelling

11、)，D-大变形或大挠度大变形或大挠度(Large deflection)，F-大应变大应变(Large strain)或有限应变或有限应变(Finite strain)，B-单元生死单元生死(Birth and dead),G-应力刚化应力刚化(Stress stiffness)或几何刚度或几何刚度(Geometric stiffening)，A-自适应下降自适应下降(Adaptive descent)等。等。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用111.2ANSYS结构分

12、析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.1 杆单元杆单元单元使用另外应注意的问题：单元使用另外应注意的问题：杆单元均为均质直杆，面积和长度不能为零（杆单元均为均质直杆，面积和长度不能为零（LINK11无无面积参数）。仅承受杆端荷载，温度沿杆元长线性变化。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。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。属非线性单元，需迭代求解。LINK11可作用线可作用线荷载；仅有集中质量方式。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，可无实常数型初应变，但可输入初应力

13、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。，即可为轴向伸长的函数或刚性的。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用121.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.1 杆单元杆单元通常用通常用LINK1和和LINK8模拟桁架结构，如屋架、网架、网模拟桁架结构，如屋架、网架、网壳、桁架桥、桅杆、塔架等结构，以及吊桥的吊杆、拱桥的壳、桁架桥、桅杆、塔架等结构，以

14、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。变的，否则造成位移超限的提示错误。LINK10可模拟绳索可模拟绳索、地基弹簧、支座等，如斜拉桥的斜拉索、悬索、索网结构、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。、缆风索、弹性地基、橡胶支座等。LINK180除不具备双线除不具备双线性特性性特性(LINK10)外，它均可应用于上述结构中，并且其可外，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。应用的非线性性质更加广泛

15、，增加了粘弹塑性材料。LINK1、LINK8和和LINK180单元还可用于普通钢筋和预应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。力钢筋的模拟，其初应变可作为施加预应力的方式之一。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用131.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.2 梁单元梁单元 梁单元分为多种单元，分别具有不同的特性，梁单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一类轴是一类轴向拉压、弯曲、扭转向拉压、弯曲、扭转(3

16、D)单元单元。该类单元有常用的。该类单元有常用的2D/3D弹弹性梁元、塑性梁元、渐变不对称梁元、性梁元、塑性梁元、渐变不对称梁元、3D薄壁梁元及有限薄壁梁元及有限应变梁元。此类单元除应变梁元。此类单元除BEAM189实为实为3节点外，其余均为节点外，其余均为2节点，但有些辅以另外的节点决定单元的方向（如表节点，但有些辅以另外的节点决定单元的方向（如表1-5中中的节点数）。的节点数）。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用141.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元

17、功能与特性1.2.2 梁单元梁单元表表1-5LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用151.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.2 梁单元梁单元单元使用另外应注意的问题：单元使用另外应注意的问题：梁单元面积和长度不能为零，且梁单元面积和长度不能为零，且2D梁元必须位于梁元必须位于XY平面平面内。内。剪切变形的影响：剪切变形的影响：当梁的高度远小于跨度时可忽略剪切变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

18、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仍保持垂直的Kirchhoff假定，例如当剪切变形系数为零时的假定，例如当剪切变形系数为零时的BEAM3或或BEAM4。但考虑剪切变形的梁弯曲理论中，仍假。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），直），ANSYS考虑剪切变形影响采用两种方法，即在经典梁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元的基础上引入剪切变形系数(BEAM3/4/23/24/44/54)和和Timoshenko梁元梁元(BEAM18

19、8/189)，前者的截面转角由挠度，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。插值，这是两者的根本区别。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用161.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.2 梁单元梁单元自由度释放：自由度释放：梁元中能够利用自由度释放的单元有梁元中能够利用自由度释放的单元有BEAM44单元，通过单元，通过keyopt(7)和

20、和keyopt(8)设定释放设定释放I节点和节点和J 节点的各个自由度。而高版本中的节点的各个自由度。而高版本中的BEAM188/189也可通也可通过过ENDRELEASE命令对自由度进行释放，如将刚性节点设命令对自由度进行释放，如将刚性节点设为球铰等。为球铰等。梁截面特性：梁截面特性：能够采用梁截面特性的有能够采用梁截面特性的有BEAM44和和BEAM188/189三个单元。三个单元。BEAM44截面不变时才能采用梁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。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在在V8.0以上版本中可使用变截面的

21、梁截面，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，而且可以采用不同材料组成的梁截面，而BEAM44则不可。同则不可。同时时BEAM188/189支持约束扭转，通过激活第七个自由度使支持约束扭转，通过激活第七个自由度使用。用。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用171.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.2 梁单元梁单元BEAM23/24实常数的输入比较复杂。实常数的输入比较复杂。BEAM23可输入矩可输入矩形截面、薄壁圆管

22、、圆杆和一般截面的几何尺寸来定义截面形截面、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。则通过一系列的矩形段来定义截面。荷载特性：荷载特性：梁单元大多支持单元跨间分布荷载、集中荷载梁单元大多支持单元跨间分布荷载、集中荷载和节点荷载。但和节点荷载。但BEAM188/189不支持跨间集中荷载和跨间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。元上，而不是施加在几何线上。应力计算：应力计算：对于输入实常数的梁元，其截面高度仅用于计对于输入实常数的

23、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。算是没有意义的。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用181.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.3 管单元管单元 管单元是一类管单元是一类轴向拉压、弯曲和扭转的轴向拉压、弯曲和扭转的3D单元单元，单元

24、的，单元的每个节点均具有每个节点均具有6个自由度，即三个平动自由度个自由度，即三个平动自由度Ux、Uy、Uz和三个转动自由度和三个转动自由度Rotx、Roty、Rotz，此类单元以，此类单元以3D梁元梁元为基础，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、单元有直管、T型管、弯管和沉管四种单元类型，详细特性型管、弯管和沉管四种单元类型，详细特性如表如表1-6所示。所示。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用19

25、1.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.3 管单元管单元管单元特性管单元特性 表表1-6LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用201.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.3 管单元管单元管管单元使用应注意的其他问题：单元使用应注意的其他问题：管元长度、直径及壁厚均不能为零。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。理论的。

26、管单元计入了剪切变形的影响，并可考虑应力增强系数和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。挠曲系数。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用211.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.4 2D实体单元实体单元 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，此类单元均位于变和轴对称问题的分析，此类单元均位于XY平面内，且轴对平面内，且轴对称分析时称分析时Y轴为

27、对称轴。单元由不同的节点组成，但每个节轴为对称轴。单元由不同的节点组成，但每个节点的自由度均为点的自由度均为2个（谐结构实体单元除外），即个（谐结构实体单元除外），即Ux和和Uy。各种单元的具体特性如表各种单元的具体特性如表1-7所示。所示。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用221.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.4 2D实体单元实体单元LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUC

28、TION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用231.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.4 2D实体单元实体单元单元使用应注意的其他问题：单元使用应注意的其他问题： 单元插值函数及说明单元插值函数及说明: PLANE2 是协调元。是协调元。PLANE42可为协调元或为非协调元，当退化时为常应变三角形单可为协调元或为非协调元，当退化时为常应变三角形单元。元。PLANE82是是PLANE42的高阶单元，采用的高阶单元，采用3次插值函次插值函数。数。PLANE182与与PLANE42具有相同的插值函数，但无具有相同的插值函数，但无附加位移函数项；也可退化为附

29、加位移函数项；也可退化为3节点三角形。节点三角形。PLANE183是是PLANE182的高阶单元，与的高阶单元，与PLANE82的插值函数相同的插值函数相同，也可退化为，也可退化为6节点三角形。节点三角形。P单元的插值函数可为单元的插值函数可为28次，其中次，其中PLANE145是是8节点四边形单元，而节点四边形单元，而PLANE146是是6节点的三角形单元。节点的三角形单元。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用241.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与

30、特性1.2.4 2D实体单元实体单元荷载特性：荷载特性：大多支持单元边界的分布荷载及节点荷载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，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（力长度），而是面荷载（力/面积）；如果不输入单元厚度面积）；如果不输入单元厚度，则为单位厚度。，则为单位厚度。其它特点：其它特点：四边形单元均可退化为三角形单元。四边形单元均可退化为三角形单元。除除P单元和谐结构单元不支持读入初应力外，其余均支单元和谐结构单

31、元不支持读入初应力外，其余均支持。持。除除4节点单元支持非协调选项外，其余都不支持。节点单元支持非协调选项外，其余都不支持。除除4节点单元外，其余单元都适合曲边模型或不规则模节点单元外，其余单元都适合曲边模型或不规则模型。型。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用251.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.5 3D实体单元实体单元 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，即节点

32、均具有三个自由度，即Ux、Uy、Uz三个平动自由三个平动自由度，各种单元的特性如表度，各种单元的特性如表1-8所示。所示。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用261.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.5 3D实体单元实体单元表表1-8LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用271.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单

33、元功能与特性1.2.5 3D实体单元实体单元单元使用应注意的问题：单元使用应注意的问题：关于关于SOLID72/73单元：单元：SOLID72是是4节点四面体实体节点四面体实体元，元，SOLID73是是8节点六面体实体元，这两个单元每个节点六面体实体元，这两个单元每个节点均具有节点均具有6 个自由度，个自由度， 即即Ux,Uy,Uz,Rotx,Roty,Rotz。在较高版本中。在较高版本中ANSYS已不再推荐使用，帮助文件中也已不再推荐使用，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不再介绍，但用命令流仍然可用。原因之一是新的求解器器PCG和和SOLID92/95可以较好的解

34、决原有的求解问题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；之二是防止不同单元使用中“误用误用”转动自由度，例转动自由度，例如与如与BEAM或或SHELL混合建模时误用转动自由度。混合建模时误用转动自由度。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用281.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.5 3D实体单元实体单元其它特点：其它特点：除除8节点单元具有非协调单元选项外，其余均不支持；节点单元具有非协调单元选项外，其余均不支持；除除8节点单

35、元外，其余均适合曲边模型或不规则模型；节点单元外，其余均适合曲边模型或不规则模型；除除10节点单元不能退化外，其余单元皆可退化为棱柱体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，且和四面体单元，且SOLID95/186又可退化为金字塔（也又可退化为金字塔（也称宝塔）单元。称宝塔）单元。SOLID185积分方式可选择：积分方式可选择：完全积分的方法、减缩完全积分的方法、减缩积分、增强应变模式和简化的增强应变模式。且积分、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单元均具有位移插值模式和混合插值模式（模式（u-P插值），以模拟

36、几乎不可压缩的弹塑材料和完插值），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。全不可压缩的超弹材料。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用291.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.6 壳单元壳单元 壳单元可以模拟平板和曲壳一类结构。壳元比梁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、协调与非很多。如

37、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、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。给出了板壳单元的简明特点。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用301.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.6 壳单元壳单元表表1-9表中节点自由度栏中：表中节点自由度栏中：Uxyz表示表示

38、Ux、Uy、Uz；Rxyz表示表示Rotx、Roty、RotzLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用311.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.6 壳单元壳单元单元使用应注意的问题：单元使用应注意的问题：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。切变形的壳元用于中厚度板壳结构。当计入剪切变形的当计入剪切变形的壳元用于很薄的板壳结构时，会发生壳元用于很薄的板壳结构时，

39、会发生“剪切闭锁剪切闭锁”为防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，这两种方法对于法，这两种方法对于Timoshenko梁效果是一样的，但梁效果是一样的，但对于板壳元是不同的。减缩积分比较常用，虽然有可能对于板壳元是不同的。减缩积分比较常用，虽然有可能导致导致“零能模式零能模式”（zero energy mode），但一般是在），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。少，且板壳较厚时可选择完全积分。LECTURE ON INTRO

40、DUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用321.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.6 壳单元壳单元其它特点：其它特点：除除8节点壳元外均具有非协调元选项。节点壳元外均具有非协调元选项。除除SHELL28/51/61外均可退化为三角形形状的单元。外均可退化为三角形形状的单元。仅仅SHELL181支持读入初应力。支持读入初应力。仅仅SHELL93/181支持减缩积分。支持减缩积分。仅仅SHELL43/63/143 具有面内具有面内Allman 刚度选项，刚度选项，SHELL181具

41、有具有Drill刚度选项。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限制单元间的交角不大于15。除除SHELL28外，均支持变厚度、面荷载及温度荷载。外，均支持变厚度、面荷载及温度荷载。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用331.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.7 弹簧单元弹簧单元 弹簧单元是一类专门模拟弹簧单元是一类专门模拟“弹簧弹簧”行为的单元，不

42、同于行为的单元，不同于用结构单元（如用结构单元（如LINK等）的模拟。此类单元当用于一般等）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，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。每个单元的功能和特性如表1-10所示，其详细使用方法所示，其详细使用方法参见相关资料。参见相关资料。LECTURE ON INTRODUCTION TO

43、ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用341.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.7 弹簧单元弹簧单元LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用351.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.8 质量单元质量单元 MASS21为具有为具有6个自由度的点单元，个自由度的点单元， 即只有一个即只有一个节点，节点自由度可为节点，节点自由度可为Ux、Uy、Uz、Rot

44、x、Roty、Rotz，通过不同设置可仅考虑，通过不同设置可仅考虑2D或或3D内的平动自由度内的平动自由度及其组合，及其组合，它每个坐标方向可以具有不同的质量和转动它每个坐标方向可以具有不同的质量和转动惯量。惯量。该单元无面荷载和体荷载，支持弹性、大变形和该单元无面荷载和体荷载，支持弹性、大变形和生死单元。生死单元。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用361.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.9 接触单元接触单元 ANSYS支持三种接触方式，

45、支持三种接触方式，即点对点、点对面和面即点对点、点对面和面对面对面的接触，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。点点单元用于模拟点对点的接触行为，且的一层单元。点点单元用于模拟点对点的接触行为，且预先知道接触位置；点面单元用于模拟点对面的接触行预先知道接触位置；点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；面面单元用于模拟面对面的接触行为，支持低阶一致；面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和高阶单元，支

46、持大变形行为等。各种单元的特性如表1-11所示。所示。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用371.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.9 接触单元接触单元节点自由度栏中节点自由度栏中U-Ux，Uy，Uz(3D)，T-Temp，V-Vol，A-Az，M-Mag，RRotzCONTAC26（点对地基元）、（点对地基元）、CONTAC48/49（2D/3D点面元）在高版本中不再支持。点面元）在高版本中不再支持。表表1-11LECTURE ON INT

47、RODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用381.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.10 矩阵单元矩阵单元MATRIX27为刚度、阻尼、质量矩阵单元，可表示一种为刚度、阻尼、质量矩阵单元，可表示一种任意的单元任意的单元。本单元具有两个节点，此两个节点可重合。本单元具有两个节点，此两个节点可重合或不重合，每个节点有或不重合，每个节点有6个自由度，即个自由度，即Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz。该单元无面荷载和体荷载，但支持。该单元无面荷载和体荷载，但支持单元生死功

48、能。其矩阵可为对称或不对称形式，通过单元生死功能。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。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点柔性连接等。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用391.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.10 矩阵单元矩阵单元MATRIX50为超单元为超单元，它是预先装

49、配好的可独立使用的，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（如能包含基于拉格朗日乘子的单元（如MPC184等），不等），不支持非线性（忽略所包含的单元非线性）。超单元可包支持非线性（忽略所包含的单元非线性）。超单元可包含其它超单元，含其它超单元，2D超单元只能用于二维分析，而超单元只能用于二维

50、分析，而3D超单超单元则只能用于三维分析。元则只能用于三维分析。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用401.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.11 表面效应单元表面效应单元SURF153和和SURF154分别为分别为2D和和3D结构表面效应单元结构表面效应单元，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方向等）及表面效应（基础刚度、表面张力及附加

51、质量等）情况，等）情况，可覆盖于任何二维（轴对称谐结构单元可覆盖于任何二维（轴对称谐结构单元PLANE25/83除外）和三维结构实体单元表面。此类单除外）和三维结构实体单元表面。此类单元的主要特性如表元的主要特性如表1-12所示。所示。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用411.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.11 表面效应单元表面效应单元表表1-12LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON IN

52、TRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用421.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.12 预紧、多点约束、网分单元预紧、多点约束、网分单元PRETS179为为2D/3D预紧单元预紧单元，用于定义网分后的二维或，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、三维结构预紧区，可由任意结构单元（杆、梁、管、壳、2D实体和实体和3D实体）建立。该单元具有实体）建立。该单元具有3个节点，每个节点个节点，每个节点具有一个自由度具有一个自由度Ux，该，该Ux为预紧方向的位移，为预紧方向的位移，ANSYS通通过几何条件将预紧力

53、施加到指定的预紧荷载方向上，而不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。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；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，不能使用约束方程和自由度耦合，NROTAT命令不能用于命令不能用于节点节点K，且，且K节点必须位于整体直角坐标系。节点必须位于整体直角坐标系。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用431.2ANSYS结构分析单元功能与特性结

54、构分析单元功能与特性1.2.12 预紧、多点约束、网分单元预紧、多点约束、网分单元MPC184为多点约束单元为多点约束单元，有刚性杆、刚性梁、滑移、球，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。该单元有机、挖掘机、汽车、机床和机器人等。该单元有2个或个或3个个节点，每个节点具有节点，每个节点具有Ux、Uy(2D)或或Ux、Uy、Uz(3D) 或或Ux、Uy、Uz、Rotx、Rot

55、y、Rotz(3D)自由度。无实常数和自由度。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。单元生死。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS通用有限元程序ANSYS及其应用441.2ANSYS结构分析单元功能与特性结构分析单元功能与特性1.2.12 预紧、多点约束、网分单元预紧、多点约束、网分单元MESH200是仅用来划分网格的单元，对计算结果毫无影是仅用来划分网格的单元，对计算结果毫无影响。响。它是为实现多步网格划分的操作而设计的。该单元可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。没有中间节点的情况。MESH200单元可与任意其它单元一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。起使用，当不再需要它时，可以将其删除或保留。 该单元可由该单元可由220个节点