ANSYS结构分析单元与应用

主要介绍了结构分析常用的各类单元，包括单元特点、输入参数、输出数据、单元特性、单元选项及单元使用注意事项。为与有限元基本原理衔接，介绍了典型单元的单元矩阵，如单元刚度矩阵、应力刚度矩阵及质量矩阵等。为说明单元特性和使用方法，每个单元均给出了应用算例及其命令流文件，且这些算例与ANSYS的HELP算例均不重复，全书有近200个应用算例，可供读者参考或套用。可供土木工程、机械工程、力学、材料科学与工程、水利工程、矿业工程、交通运输工程、船舶与海洋工程、航空宇航科学与技术和农林工程等学科的科技人员进行力学分析作参考，也可作为大学本科和研究生学习有限元课程及ANSYS的参考书。前言玉1"J,L,;目录第1章结构分析单元………………………………………………………………………11.1单元的一般特性………………………………………………………………………11.2单元分类,………………………………………………………………………………6第2章杆单元………………………………………………………………………………112.1LINK1单元……12.2LINK8单元………………………………152.3LINK10单元………………………………………………………………………202.4LINK11单元252,5LINK180单元…………29第3章梁单元……d“……343.1BEAM3单元…………343.2BEAM4单元453.3BEAM23单元…………………………………………………………………………………553.4BEAM24单元……………………………………………………………………………623.5BEAM44单元……………………………………………………………………703.6BEAM54单元……………"………………………843.7BEAM188单元…………………………………………………………………………………893.8BEAM189单元…………品福品着着品出善潘福翻福……………………………………90第4章管单元……………084.1PIPE16单元……………………………………………………………………………………………1084.2PIPE17单元……………………………………………,……………………1214.3PIPE8单元………………………………………………………………1254.4PIPE20单元………………………………………………………………1314.5PIPE59单元………………………………………………………………………………1394.6PIPE60单元中是整手丰中中.中甲·啪“中日:;日由b“日面雨面备……154第5章2D实体单元………………………1575.1 PLANE42单元………………………………………!575.2 PLANE82单元……………………16553 PLANE2单元1量重虚如翻量曾重量重道………41705.4 PLANE25单元…………………………………………………1715,5 PLANE83单元…………………………………………………………………1765.6 PLANE145单元……………………………………………………………1765.7 PLANE146单元…………………………………………………………………………18158 PLANE182单元5.9 PLANE183单元…186第6章3D实体单元………………………………1876.1 SOLID45单元++,,,………;………乱……………………………………1876.2 SOLID95单元1916.3 SOLID92单元2006.4 SOLID46单元……………………………………………2006.5 SOLID191单元2166.6 SOLID64单元…………2186.7SOLI65单元…………………2206.8 SOLID147单元………………2356.9 SOLID148单元………………………………………………………………………………2376.10SOLI185单元………2376.11 SOLID186结构实体单元……………………………………………………………2396.12 SOLID186分层实体单元………………·丰!···…………………2426.13 SOLID187单元…………………………………………………………………………………2446.14 SOLSH190单元………………………………………………………………………………244第7章壳单元………………………………………………2517.1 SHELL63单元……………………………………………………………25172 SHELLS93单元……2637.3 SHELL43单元………………………………………………2707.4 SHELLI81单元………………………………………………………………………………2747.5 SHELL281单元…………………………………………………………………………2867.6 SHELL91单元…………………………………………,………………………2867.7 SHELL99单元……………2977.8 SHELL28单元……………………………………………………………………3097.9 SHELI41单元………………………………………………3127.10 SHELL150单元……………………3197.11 SHELL61单元……………………………………………………………3217.12 SHELI209单元…………………………………………………3227.13 SHELL208单元………………………………………………………327第8章弹簧单元………………………………………………………………3288.1 COMBIN14单元………………………………………………………………………3288.2 COMBIN40单元3388.3 COMBIN37单元串·a■着自着。…3468.4 COMBIN39单元…………3548.5 COMBIN7单元………………………361第9章质量单元……3791MASs21单元…………………………………………………………370第10章接触单元……………………37510,1接触概述……………∴……37510.2 CONTA174单元…………………,………………………38610.3 CONTA173单元………40610.4 CONTA172单元………………………………………………………40710.5 CONTA171单元……着康。1自由…………41010.6 CONTA175单元……………………………………………………………………41210.7 CONTA176单元……413l0.8 TARGE169单元…………………………………………………………………………41910.9 TARGEI70单元………………………………………………42310.10 CONTA178单元…………………………………………………………………42610.11 CONTAO52和 CONTAC12单元……………………………………………43310.12 CONTA177单元……………………………………………………………43310.13多点约東(MPC)与装配…………………………………………43510.14点焊……………………………………………………………………450第11章矩阵单元………………………………………………………………………45611.1 MATRIX27单元………………………………………………………………………………45611.2 MATRIX50单元………………………………………………………………………………459第12章表面效应单元…………………………………………………………46312.1SURF153单元……………………………………………………………………………46312.2SURF154单元……………………………………………………………………46712,3SURF156单元…………………………………………………………………472第13章特殊单元…………………………………………………………………………47613.1 PRETS179单元………………………47613.2MESH200单元…………………………·+·,甲+想,,?使…………………48213.3 FOLLW201单元…………………………………………………………………………48413.4 COMBI214单元……………………………………………………………………………48613.5 REINF265单元……43第14章MPC184单元…………………………………………………………………49714.1概述…,……………………………………………………………………………………49714.2MPC184-刚性杆和刚性梁单元:…………………………………………49814.3MPC184滑块单元………………………………………………………………50214.4MPC184-销轴连接单元…50414.5MPC184万向节连接单元………………………………………………………………………51114.6MPC184-滑槽连接单元………………………………………………………………………51414.7MPC184点面连接单元………14.8MPC184-平移连接单元…………………………………………………………………52014.9MPCl84圆柱连接单元………………………………………………………………52314.10MPC184-面连接单元………………………………………………………………………52714.11MPC184-焊接连接单元…………………………………………………………………“53014.12MPc184定向连接单元…………………………………………………………………53114.13MPC184-球饺连接单元………53214.14MPC184-广义连接单元…····.·:···:.::·::::·4::··533参考文献……………………;………………………………………………………………………536第1章结构分析单元ANSYS有七大类单元,分别为结构单元、热单元、电磁单元、耦合场单元、流体单元、网分单元、显式动力分析单元。一般结构分析仅使用结构单元,限于篇幅,本书主要介绍结构单元和网分单元,并将其称为“结构分析单元”。1.1单元的一般特性单元的一般特性包括单元输入,单元结果输出,单元坐标系,节点和单元荷载,三角形、棱柱和四面体单元,壳单元等;至于非线性材料模型及其组合、具有广义平面应变选项的18x实体单元、几何非线性、uP混合算法单元、自动选择单元技术等内容不在这里介绍,而在各单元介绍中根据需要介绍。1,11输入参数单元输人参数主要有单元名称、节点、自由度、常实数、材料性质、荷载、单元特性、 KEYOPTS(关键选项)等,简单介绍如下(1)单元名称单元名称由两部分组成,其一是用不超过8个字符的名称定义的单元类型,其二是用“唯一”数字定义的单元序号,如BEAM3=BEAM+3。用ET命令定义单元类型时,可采用单元名称或单元序号,如ET,1,BEAM3或ET,1,3均可。(2)节点单元的节点用IJK等描述,在每个单元的单元几何中标出了节点的顺序和方位,详见本书其他章节。节点序列可在网格划分时自动生成,也可由用户通过E命令定义节点序列。节点号必须与单元描述中“ Nodes”的列表顺序相符,节点I是单元的第一个节点号,节点顺序决定某些单元的单元坐标系方位(3)自由度每种单元类型都有一自由度集,该自由度集构成节点未知量,它们可为位移、转角、温度、压力等。所谓导出结果,如应力和热流等均是根据自由度结果计算得到的。用户不必明确地定义节点上的自由度,而是用与之相关的单元类型确定,因此单元类型的选择在 ANSYS分析中是很重要的。位移和转角自由度通常用UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ表示,其意义分别为沿节点坐标系x、y、z的平动位移和绕节点坐标系xy、z的转动位移。温度自由度为TEMP,压力自由度为PRES。(4)实常数实常数用于计算单元矩阵,典型的实常数包括面积、厚度或高度、内径与外径等。实常数的内容由单元决定,每一种单元的实常数可能都不相同。实常数通过命令R输入,且输入的实常数顺序和数值必须与单元“实常数”列表相符,否则可能会导致输人不正确。对于杆、梁和壳单元检查实常数比较好的方法是打开单元形状(命令/ ESHAPE),然后显示单元。(5)材料性质每种单元都具有不同的材料性质,典型的材料性质包括弹性模量、密度、热胀系数等。 ANSYS用标识符定义每种性质,如EX表示单元坐标系下x方向的弹性模量、DENS表示密度等。所有的材料性质都可为温度的函数,即随温度的变化而变化。2 ANSYS结构分析单元与应用对正交各向异性材料,通常要输入单元坐标系下的如下材料性质①三个方向的弹性模量:EX、EY、EZ,量纲为“力/面积”②三个方向的主泊松系数:PRXY、PRYZ、PRXZ(或次泊松系数:NUXY、NUYZ、NUXZ),无单位。③三个方向的热膨胀正割系数:ALPX、ALPY、ALPZ,(或热膨胀瞬时系数:CTEX、CTEY、CTEZ,或热应变:THSX、THSY、THSZ),热膨胀系数的量纲为“应变/温度”,而热应变的量纲为“应变”。④剪切模量:GXY、GYZ、GXZ,量纲为“力/面积”。⑤质量密度:DENS,量纲为“质量/体积”。⑥刚度矩阵阻尼系数:DAMP,无单位,用命令 BETAD输人。⑦参考温度;REFT,用命令TREF输入。⑧摩擦系数:MU,无单位⑨材料阻尼系数:DMPR,无单位。以上除明确输人命令外,其余均用命令MP输入。与热无关的某些材料性质是线性的,其求解仅需单步迭代。而类似应力一应变关系的材料性质是非线性的,其求解需要多次迭代。线性材料性质通过MP系列命令输入,非线性材料性质通过TB系列命令输人。(6)荷载不同的单元类型有不同的表面荷载和体荷载。对于结构分析单元,其典型的表面荷载为压力(分布荷载),而体荷载仅为温度。每种单元的表面荷载和体荷载及其施加方法详见各单元介绍。(⑦)单元特性在单元特性列表中给出了单元的附加分析能力,如应力刚化、大变形、塑性、蠕变、膨胀、单元生死等,绝大多数特性导致单元为非线性且需要迭代求解。在使用某个单元时,应查看该单元是否具有某方面的分析能力如2D弹性梁单元BEAM3不具有塑性分析能力,因此该单元不能用于塑性分析,初学者经常犯此类错误。(8)KEYOPTSKEYOPTS是 Key Options的缩写,一般称为单元的关键选项,用于打开或关闭单元的各种选项KEYOPTS包括单元刚度矩阵选项单元输出选项、单元坐标系选项等,在定义单元类型时一并定义。在单元介绍中, KEYOPTS用序号表达,如 KEYOPT(1)、 KEYOPT(2)等,可在命令ET中的6个顺序位置输人6个 KEYOPTS的值,也可用命令 KEYOPT单独输入,但 KEYOPTO(7)及其以上的值必须采用命令 KEYOPT输入。般地, ANSYS均会给出 KEYOPTS的缺省值,如用户不定义 KEYOPTS,则 ANSYS就采用缺省值计算。若在不同的 ANSYS产品或版本上运行命令流文件,即使与缺省值相同,也建议明确定义KEYOPTS,因为不同产品或版本的缺省值可能不同I1.2结果输出结果输出包括节点解(也称节点自由度解或基本解)和单元解(也称导出解),这些结果会写人输出文件或打印输出(OUT)、数据库(DB)和结果文件(RST、RTH、RMG或,RFL)中。输出文件可以通过图形用户界面浏览,而数据库和结果文件的数据用于后处理输出文件包括节点自由度解、节点荷载、支承反力及单元解,这些都取决于命令 OUTPR的设定。单元解主要是各个单元质心的结果,大多数单元的 KEYOPTS可设置更多的结果输出,如积分点的结果等。结果文件所包含的数据由命令 OUTRES定义。在POST1中,用命令SET读入所需荷载步结果。面单元和体单元的结果通常用命令从数据库中得到,这些命令包括 PRNSOL、 PLNSOL、 PRESOL和PLESOL等。第1章结构分析单元3(1)节点解节点解包括节点自由度解(如节点位移和温度)与约束节点的反力解。节点自由度解指整个模型中所有活动自由度的解,由所有活动单元相关的自由度集决定。命令OUTPR,NSO和命令 OUTRES, NSOL分别控制打印输出和结果文件输出。所有约束节点的反力解通过命令 OUTPR,RSOL和命令 OUTRES,RSOL控制输出。在求解过程以及求解完成后(尚未在POST中处理),节点自由度解和节点反力解均位于节点坐标系下。若输入时某个节点的节点坐标系被旋转了,则节点解也位于旋转的节点坐标系中。转动位移(ROTX、ROTY、ROTZ)的单位为“弧度”,谐分析中相位角的单位为“度”(2)单元解单元解主要指面荷载、质心解、表面解、积分点解、单元节点解、单元节点荷载、非线性解、平面和轴对称解、杆件力解等及其结果项。单元解的结果项及其定义在各单元介绍中描述,单元输出表格中并没有列出所有的输出结果项。般地,没有列出的结果项或不适用,或为零解。然而,除耦合场单元 PLANE223 SOLID226和 SOLID227外,耦合场力即使计算为零也列出。绝大多数的结果项都列在了单元输出表格中,某些没有列出的也写人了结果文件中绝大多数单元用两个表格分别描述输出结果和获取这些结果的方式,即单元输出说明表、单元ETABLE和ESOL的表项与序号。单元输出说明表(类似表3-2)描述了单元的可能输出结果,并给出了哪些结果项在打印输出(O栏)中有效,哪些结果项在结果文件(R栏)中有效等。单元 ETABLE和ESOL的表项和序号表(类似表33)描述了命令 ETABLE和ESOL中的表项和结果对应的序号。这里需要说明的是,表项 SMISC( Summable miscellaneous)和 NMISC( Nonsummable miscellaneous)分别表示可求和杂项与不可求和杂项。对结构分析单元而言,表面压力输出的是单元节点上的输入压力。质心解在列表输出时给出单元质心(或接近中心)的输出结果,如应力、应变和温度等。若使用大变形分析,质心位置会被更新。所输出的质心结果值采用单元积分点的平均值,矢量的分量方向与材料方向一致,分别是单元坐标系的函数,如SX的方向与EX方向相同。而在后处理中的 ETABLE命令可利用单元的节点结果计算质心结果。实体单元的某些自由表面的表面解可列表输出。所谓自由表面,是指与其他单元没有任何联系,并且没有任何自由度约束和节点荷载的表面。表面解输出对非自由表面或非线性材料是无效的,对杀死或激活单元也无效,且表面解输出不包括大应变效应。表面解的精度与位移精度相同,其结果不是从积分点结果外推到表面,而是根据节点位移、面荷载和材料性质等计算得到的。表面的横向剪应力假定为零,表面的正应力等于表面压力。表面解输出不宜为密集面或轴对称模型的零曲率面。些单元的积分点解可列表输出。若使用大变形分析,积分点位置会被更新。在各单元介绍中给出了单元积分点的个数与位置。命令 ERESX可设置积分点数据写入结果文件。积分点是很多单元的求解点,如2D和3D实体单元、壳单元等。单元节点解不同于节点解,是指每个单元节点上的结果数据。单元节点解对2D和3D实体单元、壳单元等都适用,是一种导出结果,如应变、应力等。单元节点解通常是利用单元的积分点结果外推到节点上,特殊情况是单元积分点具有非零塑性、蠕变、膨胀等特性或 ERESX设为NO时,此时单元节点解就是最近的积分点解;单元节点解的输出通常位于单元坐标系下。在“/POST1”中,用命令 PLNSOL绘制所选择单元和节点的节点应力时,应力的连续云图穿过单元边界,云图采用单元节点解线性内插得到,而所显示的某个节点的某项结果取与该节点相连的所有单元的单元节点解中该节点的某项结果的平均值,因此 PLNSOL虽然绘制的是节点的某项结果,但实际是通过单元节点解计算得到的。单元节点荷载指作用在单元每个节点上的荷载或力,包括静荷载阻尼荷载和惯性荷载等。与支承有关的单元节点荷载的计算,是通过与之相连的所有单元的该节点荷载求和然后再与该节点外荷载(用4ANYs结构分析单元与应用F或FK施加的)相加得到,其值与该支承节点的节点反力相等,但符号相反。由材料非线性引起的非线性应变釆用最近的积分点结果,若存在蠕变,则在塑性校正之后蠕变校正之前计算应力,而弹性应变则在蠕变校正之后计算平面和轴对称解:2D实体分析基于“单位厚度”计算,其结果也多基于单位厚度给出。当然,大多数D实体单元也可以设置“厚度”。2D轴对称实体分析基于360°计算,其结果也多基于360°给出。特别是2对于轴对称结构分析,合力是指360°模型的合力,而X、Y、Z和XY分别对应径向、轴向、周向和平面内,总体坐标系的Y轴必须是对称轴,且应该在X轴的正象限建立结构模型。杆件力解对大多数结构线单元都适用,其输出位于单元坐标系下,并且与单元自由度相对应,如BEAM3单元的杆件力有 MFORX、 MFORY和 MMOMZ。对许多梁单元和管单元杆件力,其计算方法为:沿单元长度方向取节点I到计算点一段杆件,利用该段杆件力的平衡条件,得到计算点的杆件力。在结构矩阵分析中,惯用术语是单元“杆端力”,它是单元刚度矩阵与单元节点位移的乘积,单元杆端力的方向与单元坐标系方向相同。而此处“杆件力”实际是“杆件内力”(也包括杆端内力),命令 ETABLE中指杆件力,所以对于单元的J节点而言,J节点的杆件力与J节点的杆端力相等,而I节点的杆件力与I节点的杆端力数值相等,但符号相反。11.3坐标系(1)单元坐标系单元坐标系用于确定输人或输出参数的方向,如正交各向异性材料的方向、压力荷载方向及应力方向等。每个单元都有缺省的单元坐标系,详见各单元介绍,但一般设置如下。单元坐标系采用右手正交法则。对于线单元(如LINK或BEAM),缺省的x轴方向为单元I节点指向J节点。对于实体单元(如 PLANE或 SOLID),缺省的单元坐标系一般平行于总体直角坐标系。对于壳单元,缺省时一般是ⅹ轴方向沿着单元的IJ节点,z轴方向垂直于壳的表面(即与外法线方向相同,外法线方向以从单元节点IJK按右手法则确定),y轴与x轴和z轴构成的平面垂直。单元坐标系也可改变,如可通过命令ESYS设置面单元和实体单元的单元坐标系与既有局部坐标系平行,或者通过单元 KEYOPTS(如 PLANE42单元)改变单元坐标系方向;当两个都设置时,以KEYOPTS为有效设置。某些单元还可相对于既有单元坐标系利用实常数将其单元坐标系旋转某个角度(如 SHELLE63单元实常数中的 THETA);当没有采用命令ESYS或 KEYOPTS设定方向时,实常数中的角度则相对于缺省的单元坐标系方向。轴对称单元的单元坐标系仅可绕总体坐标系的Z轴旋转。对于壳体单元,命令ESYS采用壳表面局部坐标系的投影确定方向。单元x轴方向由壳单元表面的局部x轴的投影确定,如果投影是一个点(或局部x轴与壳的法线夹角为零),则采用局部y轴的投影确定单元x轴方向,而单元其余两轴采用上述的缺省方向。对无中间节点的单元,投影在单元质心处计算,并假定在单元上其方向不变。对有中间节点的单元,投影在各积分点上计算,且在单元上其方向可能是变化的。对于轴对称单元仅在XY平面的旋转有效。某些单元也允许通过用户子程序定义单元坐标系方向。层单元用从单元坐标系的x轴旋转到各层的某个角度形成层坐标系,层的旋转角度通过命令SECDATA或 RMORE输人。层单元的材料性质、应力和应变均基于层坐标系,而不是基于单元坐标系。在单元介绍中的所有单元坐标系均假定没有执行命令ESYS,单元坐标系以三轴符号显示,可用命令 PSYMB或PNUM显示单元坐标系。三轴符号的显示不包括任何实常数中的角度效果,但单元BEAM4除外。对于大变形分析,单元坐标系以单元的刚体转动量基于初始单元坐标系进行旋转。(2)在节点坐标系下的单元定义几个特殊单元需在节点坐标系下定义,如 COMBIN14单元且 KEYOPT(2)=1~6MASS21单元且KEYOPT(2)=1、 MATRIX27单元、 COMBIN37单元、 COMBIN39单元且 KEYOPT(4)=0、COMBIN40单元等。这样便于控制单元方向,特别对两节点的单元具有重合节点的情况更为方便。但