ANSYS建模中单元类型的选择及实例应用

1、科学技术 2010.8 83ANSYS 建模中单元类型的选择及实例应用田 水铁岭技师学院 辽宁 铁岭 112000【摘 要】本文对大型通用有限元软件ANSYS 的单元类型进行了分析,并以有限元模型为例进行了分析,将计算结果与试验数据作对比。【关键词】ANSYS 单元 实例1、引言目前,设计工作大多数是依靠设计人员的设计经验进行结构设计,而设计结果并非是最优化的,也没有一种方法去判断其优化的程度,例如,为了满足强度要求,没有特别注意其结构质量及尺寸等,从而影响整个系统的结构分配。有限元分析是计算机诞生以后,在数学、力学和工程科学领域最有效的计算方法1。而目前最流行的有限元分析软件ANSYS,当你

2、开始建模时用户将做多决定以确定如何来对物理系统进行数值模拟,分析目标是什么;模型是全部或仅是物理系统的部分;模型将包含多少细节;选择什么样的单位;有限元网格用多大的密度,总之,你将对要回答问题的计算费用及结果进行平衡考虑,你在规划阶段作出的这些决定将大体上控制你分析的成功与否。2、单元的分类2.1按形状分类1点单元:几何形状为点型的结构,可用MASS 单元模拟,MASS 单元主要用于动力学分析质量块结构的模拟;2线单元:几何形状为线型结构,可用LINK、BEAM 模拟,LINK 单元用于桁架、螺栓、螺杆等连接件的模拟;BEAM 单元主要用于梁、螺栓、螺杆、连接件等的模拟;3面单元:PLANE、

3、SHELL;4体单元:SOLID。2.2按单元阶次分类1线性单元:对于结构分析问题,单元内的位移数值按线性变化,因而每个单元的盈利状态是保持不变的;2二次单元:对于结构分析问题,单元内的位移数值按二次函数变化,因此没个单元内的应力状态是线性变化的;3P 单元:对于结构分析问题,单元内的位移数值按二阶到八阶函数变化,而且具有求解收敛自动控制功能,自动确定各位置上应采用的函数阶数2。3 单元介绍 1MASS 单元:主要用于几何形状为点型且动力学分析质量块结构的模拟;2LINK 单元:用于桁架、螺栓、螺杆等连接件的模拟;3BEAM 单元:用于梁、螺栓、螺杆、连接件等的模拟;4PIPE 单元:用于管道

4、、管件等结构的模拟;5COMBIN 单元:用于弹簧,细长构件等的模拟;6SHELL 单元:主要用于薄板或曲面结构的模拟,壳单元分析应用的基本原则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的10倍;7PLANE 单元:用于总体之间坐标系下X-Y 平面内结构平面应力、平面应变、轴对称和谐结构问题;8SOLID 单元:主要用于三维是实体结构的模拟。下图为几种典型的应用场合。图1.LINK单元应用图2.BEAM单元应用图3.SHELL单元应用图4.SOLID 单元应用4、单元类型通用选择方法1设定无力场过滤菜单,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,如线性结构则只能选择LINK、

5、BEAM 等单元去模拟;3根据模型的空间维数细化单元的类型,如确定为“BEAM”单元大类后,在对话框的右栏中,有“2D”和“3D”的单元分类,则格局结构的维数继续缩小单元类型选择的范围;4确定单元的大类后,有时也可以根据单元阶次来细分单元的小类,如确定维“Solid-Quad”此时有四种单元类型:Quad 4node 42、 Quad 4node 183、Quad 8node 82、Quad 8node 183,前两组即为低阶单元,后两组则为高阶单元;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”,确定单元类型是“Brick”“Tet”;6根据分

6、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以选择:2D elastic 3、2D plastic 23 、2D tapered 54,根据分析问题是弹性还是塑性确定是“Beam3”还是“Beam4”,若是变截面的非对称的问题则用“Beam54”;7单元阶次直接影响单元形函数的阶次,一般说来。形函数阶次越高,计算结果越精确,因而同线性单元相比,采用高阶的单元类型可以得到相对较好的计算结果。8单元阶次的选择使用需要在计算精度和计算规模间衡量:9线性单元的严重扭曲变形可能引起计算精度的下降,而更高阶的单元对这种扭曲变形不敏感,此时可考虑使用高阶单元;10对于模型

7、中,有曲边或曲面存在时,通常推荐使用高阶单元,以获得较高的曲面精度;11单元阶次对求解的精度影响,相对平面单元和三维实体单元之间简化的差别来说,影响要小的多,因而使用线性单元的场合比较多。5、结束语ANSYS 的单元库提供了100多种单元类型,针对ANSYS 软件特点,本文结合具体实例,将单元的选择范围缩小到少数几个单元上,并对两种单元类型的选择进行了探索,提出了各自的优缺点。在实际工程应用中可根据具体问题具体分析,使用最为适合的方法进行选择。参考文献 1 刘淘、杨凤鹏. 精通ANSYS,北京:清华大学出版社,2003:1124。2 刘国庆 杨庆东, ANSYS 工程应用教程(机械篇,北京:中

8、国铁道出版社;2004.03:34363 尚晓江 邱峰 ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用(第二版 ,北京:中国水利水电出版社;2008 .05 ANSYS建模中单元类型的选择及实例应用作者:田水作者单位:铁岭技师学院,辽宁,铁岭,112000刊名:中国科技纵横英文刊名:CHINA SCIENCE & TECHNOLOGY PANORAMA MAGAZINE年,卷(期:2010,""(15被引用次数:0次参考文献(3条相似文献(10条在实际中经常会遇到三维连续体和薄壁板壳组成的结构,对其进行有限元分析的合理方案是将其分别离散为三维实体单元与板壳单元进行计算

9、.即使这两种单元在交接处有共用节点,但由于节点自由度的不同而存在转动自由度不连续的问题,导致计算结果与实际偏差很大.ANsYs中约束方程法与MPC法都能够实现三维实体单元与板壳单元正确联结,文中分别说明了其原理与步骤,并结合算例的计算结果对两种方法进行了综合比较,得出了在三维实体单元与板壳单元的组合建模中MPC法可取代约束方程法的结论.结合轴对称问题的特点和实质,通过对一个轴对称实例的求解与分析,对比得出采用二维平面单元求解轴对称问题比采用三维实体单元具有更好的精度,且可以显著节省建模及求解计算时间.以开V型坡口钢板为例,利用ANSYS软件对其焊接过程进行有限元模拟,建立了合理的三维实体模型,

10、使用单元"生死"技术模拟焊接焊缝的依次生成.获得了焊接温度场及残余应力场的分布规律,并对结果进行了分析和讨论,得出计算结果与实测结果比较吻合,说明ANSYS的单元生死技术能有效地模拟焊接过程,本方法对各种关键问题的处理比较得当.4.学位论文李妍基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用2004近年来,随着电子计算机的广泛应用,带动了其他各个技术领域的飞速发展。有限单元法也是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它利用电子计算机进行数值模拟分析,目前在工程技术领域中的应用十分广泛,有限元计算结果为各类工业产品设计和性能分析提供了可靠依据。ANSYS软件正

11、是目前国际上著名的通用有限元软件之一。ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域。ANSYS是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。从工程应用的角度来讲,它包括结构静力分析、结构动力分析、屈曲分析、非线性分析、以及热分析等,而ANSYS软件中的接触单元分析正是一种高度的非线性分析。接触问题由于是一种高度的非线性行为,故需要较大的计算资源。为了进行实为有效的计算,理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。在普通的有限元结构分析中,只有对结构或构件完全约束后,才能进行求解运算。因此,对于含有接触问题的几个结构体进行分析

12、计算时,就需要对计算的结构件之间的接触表面进行简化,只能用边界力和约束来代替与其它构件的相互作用。在大多数的场合下,这种简化与实际应用情况相差很大,会带来很大的计算误差。为了消除这种计算误差,出现了有限元接触分析方法。有限元接触分析就是把有限元和接触力学理论相结合而形成的方法。而ANSYS中的接触单元分析方法就是一种有限元接触分析方法。在本文中,首先简要的阐述了本研究课题所涉及的范围,接触单元分析的理论基础及与有限单元法的关系,ANSYS中接触单元分析特点及进行接触分析时所遇到的几个常见问题。第二章以弹性力学理论为基础,详细地介绍了接触单元理论,导出了两个球体之间的接触压力及由此引起的应力和变

13、形,给出了球体与平面相接触、球体与球座相接触的计算方法,同时,对于两任意弹性体接触的讨论,得到了接触面上压力分布的公式。第三章主要介绍了ANSYS中的接触单元用法,讲了有限元的基本知识和典型分析步骤;对ANSYS软件进行了简单的介绍;重点阐述了在ANSYS中如何应用接触单元来分析问题,接触问题分为两种基本类型:刚体柔体的接触,柔体柔体的接触,在给接触问题建模时,首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触,如果相互作用的其中之一是一点,模型的对应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面,模型的对应组元是单元,有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对,接触单元是覆盖在分析模型接触面之

14、上的一层单元,ANSYS使用的接触单元有点点接触单元、点面接触单元、面面接触单元,本文对这三种接触单元的分析方法和分析步骤都做了介绍。第四章详细讨论了接触问题分析在工程中的应用,给出了弹簧卡子在插入和拉出卡座全过程中应力的变化情况;对双耳铰支座进行了三种情况采用不同的单元类型、轴采用不同直径、轴有公差和无公差的讨论,给出了接触面上的应力值;对半瓦铰支座计算了两种不同工况受扭和受压时的接触面应力;起重机车轮与平面轨道接触应力,并给出了铰支座与轮压问题的理论设计公式,以便作为检验用ANSYS所得分析结果的一个参考。第五章根据以上所计算的工程实例,对接触单元用法作了总结,如下:1、在对弹簧卡子进行有

15、限元接触分析时,把三维问题当作二维问题来处理,计算模型作为平面应力计算,这虽与实际上的三维模型不同但符合其实际的受力特点。在本例中又考虑了摩擦的影响,摩擦本身就使非线性分析的收敛变得困难,所以用这样的处理方法是合理的且满足精度要求。2、建立复杂的三维几何模型时,由于ANSYS软件不是一个专门的建模软件,建议对各部分零件采用专门的建模软件(Solidworks2001建模,然后,利用两种软件的共同接口将各部分模型导入ANSYS,再将模型文件合并即可。3、几何模型的产生、单元类型的选择、网格的疏密等对计算结果都是有影响的,本文比较计算了双耳铰支座采用不同的单元类型(Solid45、Solid95计

16、算结果,发现在接触问题分析中,用Solid95这种单元类型所计算的结果不理想,故不建议采用Solid95这种单元类型,因为此种单元类型带有中结点,而在中结点处无法生成接触单元。4、接触区域的确定、接触面的选择对计算结果的影响非常重要,因为在计算之前,并不知道那些面是接触的、那些面是分开的;另外,在对两个面作接触时,应尽量保持其大小一致,如较大面与较小面接触,也会产生计算结果误差。5、在对轴有公差和无公差的计算中发现,法向接触刚度对计算结果也会产生影响。因此,需要不断地调整法向接触刚度,使计算结果更趋于合理,避免法向接触刚度过大或过小。6、本文计算了两种不同的铰支座在不同工况下的接触应力情况,所

17、得计算结果与理论设计值接近,其误差在10%左右,这是因为在ANSYS中计算的结果,由于有几何模型的产生、单元类型的选择、网格疏密程度等因素的影响,其计算结果必然存在着一定的误差,这种误差在工程中是允许的,故而本文所得计算结果对工程实际具有一定的参考价值。7、在对车轮轮压的计算中发现,车轮受压后横截面由圆形变为椭圆形,车轮下表面边缘在变形后不进入到平面轨道中,计算结果符合起重机设计手册中许用接触应力表。 接触问题分析是一种高度的非线性分析,在理论上,对于二维接触应力分析一般计算结果较理想,而三维接触问题从理论上只是二维的扩展,对于复杂的工程实际问题一般很难达到理想结果。但在本论文中,用ANSYS

18、接触单元分析方法解决了工程中的铰支座、轮压等受力问题,符合其实际的受力特点,而且结果比较理想,在工程上具有一定的实用价值。 接触问题属于待定边界问题,大量地存在于机械工程、土木工程中。由于有限元接触分析计算模型能够较好地符合工程实际情况,所以,这种方法越来越引起人们的关注。但在目前的设计中大多将模型进行了很大的简化,存在着较大的误差,而且与本课题相近的学术成果理论还不成熟,本论文应用ANSYS软件对工程中存在的接触问题作了比较深入细致的分析,为其提供了一定的科学依据,这种分析方法必将得到广泛的应用!利用面荷载的大小和作用方向2个表征量表示作用于模型外表面的力,利用ANSYS的SFGRAD命令定

19、义面荷载大小随位置线性变化的荷载情况,基于ANSYS的参数数组和嵌入函数定义面荷载大小随位置非线性变化的荷载情况,以覆盖于所要施加荷载表面的表面效应单元作为"管道",施加所需任意方向的面荷载.为研究ANSYS的几何非线性性能,将杆的有限变形理论与ANSYS的样板单元Link8单元的几何非线性理论进行对比.采用能反映杆的几何非线性的跃变结构算例,对有限变形理论的杆单元与Link8单元的计算结果进行比较,结果表明:ANSYS的大变形计算只是一种近似的几何非线性计算,其平衡方程式是不精确的,其计算结果也是不精确的.本文根据超声波电机驱动电路的特点,拟用MCM技术对部分电路进行集成

20、设计,应用ANSYS对该驱动集成单元在不同对流情况下进行热仿真,模拟得到集成单元中的温度分布及散热状况,分析结果表明在空气强制对流情况下比空气自然对流时电机驱动控制装置内的芯片最高结温要低,散热状况较好,从而为电机驱动控制电路的集成设计提供理论依据.以开V型坡口钢板为例,利用ANSYS软件对其焊接过程进行了有限元模拟,建立了合理的三维实体模型,使用单元"生死"技术模拟焊接焊缝的依次生成,获得了焊接温度场及残余应力场的分布规律,并对结果进行了分析和讨论.得出计算结果与实测结果比较吻合,说明了ANSYS的单元生死技术能有效地模拟焊接过程,本方法对各种关键问题的处理比较得当.9.

21、学位论文苏亚基于ANSYS的结构有限元分析2007本文通过有限元方法,对某科学与技术卫星的对地和大气监测双频辐射计(DREAM上的DAP箱体进行了有限元建模和模态分析。在已有的CAD图纸的基础上,采用ANSYS软件中的薄壳单元模拟箱体,梁单元模拟加强筋,对筋板、连接条件和约束条件均进行了合理简化,从而建立了DAP箱体有限元模型,并对箱体进行了有限元模态分析,得到了箱体的各阶固有频率和振型情况。DAP箱体的一阶固有频率为500.45Hzo结果有效地验证了辐射计结构设计的安全性(设计要求:固有频率>100HZ,为进一步的实验提供了参考依据,并论证了该箱体仍存在较大的优化空间。此外,本文对碳纤维铝蜂窝夹芯复合材料结构的物性参数进行了讨论和计算,并在此基础上对复合材料抛物面天线的热应力进行了试算。具体工况为,对复合材料天线圆柱内壁的部分面施加线性变化的温度载荷(其变化范围为:-110140.5,用间接法计算了此工况下天线的热应力,得出天线的应力为:37.3Mpa,此时天线结构的最大变形量为:0.104mm。本文的工作,为后续的更为复杂工况下的复合材料结构的热应力计算打下了基础。10.学位论文朱虹基于ANSYS二次开发的输液曲管的