ANSYS与结构分析

1、第一章 ANSYS与结构分析1.1 ANSYS功能与软件结构工程和制造业的生命力在于产品的创新，而计算机的发展和广泛应用大大提高了产品开发、设计、分析和制造的效率和产品性能，用计算机对设计产品实时或进行随后的分析称为计算机辅助工程。即CAE（Computer Aided Engineering）。该技术是由计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，它涉及计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术等学科。随着有限元理论和计算机硬件的发展，CAJ软件和技术越来越成熟，已逐渐成为工程师实现工程创新和产品创新的得力助手和有效工具。大型通用CAE软件可对多种类型功能和产品物

2、理力学性能进行分析，其应用范围及其广泛，如ANSYS、ADINA、NASTRAN、MARC、ABAQUS、ADAMS、I-DEAS、SAP等。ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型大型通用有限元分析软件，可广泛应用于土木、地质、矿业、材料、机械、仪器仪表、热工电子、水利、生物医学和原子能等工程的分析和科学研究。它可在大多数计算机和操作系统（如Windows、UNIX、Linux、HP-UX等）中运行，可与大多数CAD软件接口。1970年，Dr.John.Swanson成立了Swanson Analysis System，Inc，后来重组后改称AN-SYS公司，总部设在

3、美国宾西法尼亚州的匹兹堡。近几年来，ANSYS软件发展迅速，功能不断增强，目前最高版本为11.0beta。1.1.1 ANSYS软件的技术特点 ANSYS的主要技术特点如下：（1） 强大的建模能力：仅靠ANSYS本身就可建立各种复杂的几何模型，可采用自底向上、自顶向下或两者混合建模方法，通过各种布尔运算和操作建立所需几何实体。（2） 强大的求解能力：ANSYS提供了数种求解器，主要类型有迭代求解器（预条件共轭梯度、雅可比共轭梯度、不完全共轭梯度），直接求解器（波前、稀疏矩阵）、特征值求解法（分块Lanczos法、子空间法、凝聚发、QR阻尼法）、并行求解器(分布式并行、代数多重网格)等,用户可根

4、据问题类型选择合适的求解器。（3） 强大的非线性分析能力：可进行几何非线性、材料非线性、接触非线性和单元非线性分析。其中，材料非线性包括压电材料和形状记忆合金等。（4） 强大的网格划分能力：可智能网格划分，根据几何模型的特点自动生成有限元网格。也可根据用户的要求，实现多种网格划分。（5） 良好的优化能力：通过ANSYS的优化设计功能，确实最优设计方案；通过ANSYS的拓扑优化功能，可对模型进行外形优化，寻求物体对材料的最佳利用。（6） 单场及多场耦合分析能力：ANSYS不但能进行诸如结构、热、流体运动、电磁等单场分析，还可进行这些类型的相互影响研究，即多物理场耦合分析。（7） 具有多种接口能力

5、：ANSYS提供了与多数CAD软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据的共享和交换，如UG、Pro/Engineer、Parasolid、Solidwork、CADAM、Soldedge、Solid Designer、CADKEY、CADDS、AUTOCAD等，以及NASTRAN、Algor-FEM、IDEAS等。（8） 强大的后处理能力：可获得任何节点和单元的数据，具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式，可进行多种数据工况的组合和各种数学运算，以及时间历程分析能力等。（9） 强大的二次开发能力：可利用APDL、UPFS、UIDL等进行二次开发，几乎可完成用户的任意功能要求，这点

6、是很多软件所不能比拟的。（10） 强大的数据统一能力：ANSYS使用统一的数据库储存模型数据和求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。（11） 支持多种硬件平台和操作系统平台。1.1.2 ANSYS软件的分析功能 ANSYS软件功能非常强大，主要可进行下列五个方面的分析： · 结构分析分析结构的变形、应力和稳定问题； · 热分析分析系统或部件的温度分布； · 流体分析分析确定流体的流动状态和温度； · 电磁场分析分析计算电磁设备中的磁场； · 耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。 ANSYS的结构分析有七种类型，结构分析

7、的基本未知量是位移，其他未知量如应力、应变和反力等均通过位移量导出。七种类型的结构分析功能如下： （1）静力分析：用于求解静力荷载作用下结构的静态行为，可以考虑结构的线性与非线性特性。非线性特性包括大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹、蠕变等。 （2）特征屈曲分析：用于计算线性屈曲荷载和屈曲模态。非线性屈曲分析和循环对称屈曲分析属于静力分析类型，不属于特征值屈曲分析类型。 （3）模态分析：计算线性结构的固有频率和振型，可采用多种模态提取方法。可计算自然模态、预应力模态、阻尼复模态、循环模态等。 （4）谐响应分析：确定线性结构在随时间正弦变化的荷载作用下的响应。 （5）瞬态动力分析：计算结

8、构在随时间任意变化的荷载作用下的响应，可以考虑与静态分析相同的结构非线性特性，可以考虑非线性全瞬态和线性模态叠加法。 （6）谱分析：模态分析的扩展，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的结构应力和应变。可考虑单点谱和多点谱分析。 （7）显示动力分析：ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。 除上述七种分析类型外，还可进行特殊分析，包括断裂分析、复合材料分析、疲劳分析、P-方法、梁分析等。1.1.3 ANSYS处理器用户无需十分清楚ANSYS的内部运行过程，但有必要基本了解ANSYS内部的结构。ANSYS按功能模块分为九个处理器，每个处理器执行不同的任务。

9、通常一个命令必须在其所属的处理器下执行，否则会出现错误，但有的命令可以在多个处理器下使用，其目的在于方便操作。当启动进入ANSYS时，ANSYS位于开始级，不处于任何处理器下。可采用菜单方式或命令方式进入处理器。当在某个处理器完成操作后，应先退出该处理器后再进入其他处理器。ANSYS处理器如表1-1所示。ANSYS处理器处理器名称功能路径命令prep7建立几何模型，赋予材料属性，分网与施加边界条件等Main Menu>Preprocessor/prep7solution加载、求解Main Menu>Solution/solupost1查看某个时刻的计算结果Main Menu>

10、General Postproc/post1post26查看时间历程上的计算结果Main Menu>TimeHist Postpro/post26opt优化设计Main Menu>Design Opt/optpds概率设计Main Menu>Prob Design/pdsaux2把二进制文件变为可读文件Utility Menu>File>List>Ninary Files/aux2aux12在热分析中计算辐射因子和矩阵Main Menu>Radiation Opt/aux12aux15从CAD和FEM程序中传递文件Main Menu>File&g

11、t;Import/aux15runstart估计运算时间、运行状态等Main Menu>Run-Time Stats/runst1.1.4 ANSYS文件类型和格式当执行建立和分析任务时，ANSYS自动创建大量文件，常用的文件如表1-2所示。 ANSYS文件类型和格式 表1-2文件类型文件扩展名文件格式 日志文件.log文本 错误文件.err文本 输出文件.out文本 数据库文件.db二进制 结果文件： 结构与耦合场分析 热分析 磁场分析 流体力学分析.rsl.rth.rmg.rfl二进制 图形文件.grph文本 二角化刚度矩阵文件.tri二进制 单元刚度矩阵.emat二进制 组集的整体

12、刚度矩阵和质量矩阵.full二进制 荷载步文件.snn文本ANSYS的日志文件和错误文件总是追加的，不是覆盖方式。文件容量取决于系统的限制，对于NTFS格式的Windows2000/NT/XP等，其限制容量为8GB，当超过此值时可采用文件分割程序或命令，以满足计算需要。1.1.5 ANSYS输入方式ANSYS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。从使用角度来看，可分为两大类较为合适，即GUI（Graphical User Interface）方式和命令流方式。1.GUI方式GUI方式包括了多种输入方式，如常说的菜单方式、命令方式、函数方式，或者这些方式的组合（即

13、通过点选菜单或输入单个命令的方式，都可归结为该类方式）。菜单方式是用鼠标在ANSYS菜单上进行选取，通过对话框完成各种操作。对于初学者，该方式比较简单，易于上手和使用。命令方式是从命令行输入命令及命令域的值。对于常用且熟悉的命令，用该方式更便捷，且因ANSYS提供联想式提示，可使命令输入更加快捷，参数及其顺序更加准确。函数方式也是从命令行中输入，但仅输入命令本身，其命令域的值将通过对话框输入，这种方法也可简化操作。GUI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比较麻烦。2. 命令流方式命令流方式融GUI方式、APDL、UPFs、UIDL、MAC，甚至TCL/TK于一个文本文件中，

14、可通过/input命令或（Utility Menu>File>Read Input From.）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。命令流方式可包含上述多种方式，如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，命令流方式的主要优点有以下几个方面：（1） 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DB文件的重要性而不断保存，可以随时修改参数，近而改变几何模型和有限元模型等，一切都变得特别简单和方便。（2） 可使用控制命令：类似于if-then、do等控制命令的使用，可大大提高工作效率。（3） 可结合用户界面处理：可将其他用户界面相

15、关的命令融入命令流中。（4） 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。（5） 交流和保存方便：命令流文件比较小，便于保存，也为相互交流提供便利。所以，作者强烈推荐使用命令流方式进行操作！本书将以命令流文件为主进行介绍，而对于GUI方式稍加介绍。因此，本书可能对于初学者而言初始略有困难，但很快会从中受益。1.1.6 ANSYS软件的产品系列近几年来，ANSYS软件发展迅速，在国内使用的有4.3、5.6、5.7、6.0、6.1、7.0、8.0、8.1等版本。伴随着版本软件的升级，ANSYS已开发出适应不同用途、不同工作环境和学科的产品系列，主要有如下产品：·

16、ANSYS/PrepPost前后处理子系统；·ANSYS/Structural结构分析子系统；·ANSYS/Thermal温度场子系统；·ANSYS/FLOTRAN流场分析子系统；·ANSYS/LS-DYAN显示非线性瞬态动力分析子系统；·ANSYS/Connection和CAD软件的接口模块；·ANSYS/CADfix高级通用图形接口模块；·ANSYS/CivilFEM土木工程分析专用模块；·ANSYS/CFX流体动力分析子系统；·DYNAFORM板成形仿真专用模块；·ANSYS/Linflo

17、w气弹和颤振分析专用模块；·ANSYS/ParaMesh参数化变形工具；·ANSYS/FE Modeler有限元模型解读模块；·PE-Safe结构疲劳耐久性分析专用模块；·AINASTRAN新一代动力分析系统；·DesignSpace智能化设计工具；·DesignXPloere VT多目标快速优化模块；·Drop Test跌落仿真专用模块；·Virtual.Motion机构动力学分析专用模块；·Workbeach协同仿真环境。1.2 ANSYS结构分析单元功能与特性ANSYS大多数单元为结构单元，可根据分

18、析目的选择不同的单元类型，表1-3为结构分析单元概要。 结构分析单元表1-2类别单元名称杆单元LINK1，LINK8，LINK10，LINK11，LINK180梁单元BEAM3，BEAM4，BEAM23，BEAM24，BEAM44，BEAM54，BEAM188，BEAM189管单元PIPE16，PIPE17，PIPE18，PIPE20，PIPE59，PIPE602D实体单元PLANE2，PLANE25，PLANE42，PLANE82，PLANE83，PLANE145，PLANE146，PLANE182，PLANE1833D实体单元SOLID45，SOLID46，SOLID64，SOLID65，

19、SOLID72，SOLID73，SOLID92，SOLID95，SOLID147，SOLID148，SOLID185，SOLID186，SOLID187，SOLID191壳单元SHELL28，SHELL41，SHELL43，SHELL51，SHELL61，SHELL63，SHELL91，SHELL93，SHELL99，SHELL143，SHELL150，SHELL181，SHELL208，SHELL209弹簧单元COMBIN7，COMBIN14，COMBIN37，COMBIN39，COMBIN40质量单元MASS21接触单元CONTAC12，CONTAC52，TARGE169，TARGE170

20、，CONTAC171，CONTAC172，CONTAC173，CONTAC174，CONTAC175，CONTAC178矩阵单元MATRIX27，MATRIX50表面效应单元SUPF153，SUPF154黏弹实体单元VISCO88，VISCO89，VISCO106，VISCO107，VISCO108超弹实体单元HYPER56，HYPER58，HYPER74，HYPER84，HYPER86，HYPER158耦合场单元SOLID5,PLANE13,FLUID29,FLUID30,FLUID38,SOLID62,FLUID79,FLUID80,FLUID81,SOLID98,FLUID129,INF

21、IN110,INFIN111,FLUID116,FLUID130界面单元INTER192,INTER193,INTER194,INTER195显示动力分析单元LINK160,BEAM161,PLANE162,SHELL163,SOLID164,COMBI165,MASS166,LINK167,SOLID1681.2.1 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、大挠曲（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

22、特性。 杆单元特性 表1-4单元名称简称节点数节点自由度特性备注LINK12D杆 2EPCSDGB常用单元LINK83D杆EPCSDGBLINK103D仅受拉或仅受压杆EDGB模拟缆索的松弛及间隙LINK113D线性调节器EGB模拟液压缸和大转动LINK1803D有限应变杆EPCDFGB另可考虑黏弹塑性注：上表特征栏中的EPCSDFGBA为：E-弹性（Elasticity），P-塑性（Plasticity），C-蠕变（Creep），S-膨胀（Swelling），D-大变形或大挠度（Large deflection），F-大应变（Large strain）或有限应变（Finite strain）

23、，B-单元生死（Brith and dead），G-应力钢化（Stress stiffness）或几何刚度（Geometric stiffening），A-自适应下降（Adaptive descent）等。单元使用应注意的其他问题：（1） 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。（2） LINK10属于非线性单元，需迭代求解。LINK11可作用线荷载，仅有集中质量方式。（3） 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

24、数或刚性的。（4） 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，结构不能使几何可变的，否则会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，还增加了黏弹塑性材料。（5） 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

25、分为多种单元，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转的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，该类单元特性如表1-5所示。 梁单元特性表1-5单元名称简称节点数节点自由度特性备注BEAM32D弹性梁2 EDGB常用平面梁元BEAM232D塑性梁2EPCSDFGB具有塑性等功能BEAM542D渐变不对称梁2EDGB不对称截面，可偏移中心轴BEAM43D弹性梁2 EDGB拉压弯扭，常用3D梁元BEAM243D薄壁梁2+1EPCSDGB拉压弯及

26、圣维南扭转，开口或闭口截面BEAM443D渐变不对称梁2+1EDGB拉压弯扭，不对称截面，可偏移中心轴，可释放节点自由度，可采用梁截面BEAM1883D线性有限应变梁2+1 或增加warp EPCDFGB黏弹性Timoshenko梁，计入剪切变形影响，可增加翘曲自由度，可采用梁截面BEAM1893D二次有限应变梁3+1同BEAM188，但属二次梁单元单元使用应注意的其他问题：（1） 梁单元的面积和长度不能为零，且2D梁元必须位于XY平面内。（2） 剪切变形的影响：剪切变形将引起梁的附加挠度，并使原来垂直于中面的截面变形后不再和中面垂直，且发生翘曲（变形后截面不再是平面）。当梁的高度远小于跨度时

27、，可忽略剪切变形的影响，但梁高相对于跨度不太小时，则要考虑剪切变形的影响。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，如当剪切变形系数为零时的BEAM3或BEAM4,。但在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的梁单元也均如此。考虑剪切变形影响可采用两种方法，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）,前面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插值，这是两者的根本区别。（3） 自由度

28、释放：梁元中能够利用自由度释放的单元是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。但要注意模型中哪些单元使用自由度释放的BEAM44，而哪些为普通的BEAM44单元，否则可能造成几何可变体系。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。（4） 梁截面特性：梁元中能够采用梁截面特性的单元有BEAM44和BEAM188/189三个单元，并且低版本中单元截面均为不变时才能采用梁截面。BEAM44在不使用梁截面而输入实常数时可以采用变截面，且单元两节点的面积比或惯性矩比有一定要求。BEAM

29、188/189在V8.0以上版本中可使用变截面的梁截面，可根据两个不同梁截面定义，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，通过激活第七个自由度使用。（5） BEAM23/24因具有多种特性，故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。（6） 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中部分分布荷载，仅支持在整个单元长度上分布的荷载。温度梯度可沿截面高度、单元长度线性变化。特别注

30、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，在求解时几何线上的分布荷载不能转化到有限元模型上。（7） 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六个自由度，即三个平动自由度和三个转动自由度Rotx，Roty，Rotz，此类单元以3D梁元为基础，包括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形管、弯管和沉管四种单元类型，详细特性如表1-6所示。 管单元特性

31、表1-6单元名称简称节点数特性备注PIPE163D弹性直管元2EDGB可考虑两种温度梯度及内部和外部压力PIPE173D弹性T形管元24EDGB可考虑绝热、内部流体、腐蚀及应力强化PIPE183D弹性弯管元2+1EDBPIPE203D塑性直管元2EPCSDGB同PIPE16PIPE593D弹性沉管元2EDGB可模拟海洋波，可考虑水动力和浮力等，其余同PIPE16，且可模拟电缆PIPE603D塑性弯管元2+1EPCSDB同PIPE18单元使用应注意的其他问题：（1） 管单元长度、直径及壁厚均不能为零；（2） 可计算薄壁管和厚壁管，但某些应力的计算基于薄壁管理论；（3） 管单元计入了剪切变形的影响

32、，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），即和。各种单元的具体特性如表1-7所示 2D实体单元特性表1-7单元名称简称节点自由度特性备注PLANE26节点三角形单元 EPCSDFGBA适应于不规则的网格PLANE424节点四边形单元具有协调和非协调元选项PLANE828节点四边形单元是PLANE42的高阶单元，混合分网的结果精度高，适应于模拟曲线边界PLANE1458节点四边形P单元

33、E支持28阶多项式PLANE1466节点三角形P单元支持28阶多项式PLANE1824节点四边形单元EPCSDFGBA具有更多的非线性材料模型PLANE1838节点四边形单元是PLANE182的高阶单元PLANE254节点谐结构单元 EGB模拟非对称荷载的轴对称结构PLANE838节点谐结构单元是PLANE25的高阶单元单元使用应注意的其他问题：（1） 单元插值函数及说明：PLANE2的插值函数取完全的二次多项式，是协调元。PLANE42采用双线性位移模式，是协调元。当考虑内部无节点的位移项（即附加项）插值函数时则为非协调元；当退化时自动删除形函数的附加项变为常应变三角形单元。PLANE82是

34、PLANE42的高阶单元，采用三次插值函数，当退化时与PLANE2相同。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单元的差值函数为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。（2） 荷载特性：大多支持单元边界的分布荷载及节点荷载，但P单元的节点荷载只能施加在角节点。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）。

35、如果不输入单元厚度，则为单位厚度。（3） 其他特点：除6节点三角形单元外，其余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，即三个平动自由度，各种单元的特性如表1-8所示。 3D实体单元特性 表1-8单元名称简称/3D节点数特性完全/减缩积分初应力备注SOLID45实体元8EPCSDFGBAY/YY正交各项异性材料SOLID46分层实体元8 EDGY/NN层数达250或更多SOLI

36、D64各向异体实体元8EDGBAY/NN各项异性材料SOLID65钢筋混凝土实体元8EPCDFGBAY/NN开裂、压碎、应力释放SOLID92四面体实体元10EPCSDFGBAY/NY正交各项异性材料SOLID95实体单元20EPCSDFGBAY/YY是SOLID45的高阶元SOLID147砖形实体P元20EY/NNP可设置28阶SOLID148四面体实体P元10EY/NNP可设置28阶SOLID185实体单元8EPCDFGBAY/Y等Y 可模拟几乎不可压缩的弹塑和完全不可压缩的超弹SOLID186实体单元20EPCDFGBAY/YYSOLID187四面体实体元10EPCDFGBAY/NYSO

37、LID191分层实体元20EGAY/NN层数100单元使用应注意的其他问题：（1） 关于SOLID72/73单元：SOLID72是四节点四面体实单元，SOLID73是八节点六面体实体单元，这两个单元每个节点均具有6个自由度，即，Rotx，Roty，Rotz。在较高版本中，ANSYS已不再推荐使用，帮助文件中也不再介绍，但命令流仍然可用。其原因为：新的求解器PCG和SOLID92/95可以较好的解决原有的求解问题；防止不同单元中“误用”转动自由度，如与BEAM或SHELL共同建模时误用转动自由度。（2） 其他特点：除8节点单元具有非协调单元选项外，其余均不支持。单元退化时均自动变为协调元。除8节

38、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或四面体单元，且SOLID95/186又可退化为金字塔（也称宝塔）单元。（3） SOLID185积分方式可选择完全积分的方法、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

39、、剪切变形、节点偏置等，应详细了解各单元的使用说明。表1-9给出了板壳单元的特点。 板壳单元特性 表1-9单元名称简称/3D节点数节点自由度特性备注SHELL28剪切/扭转板4或EG纯剪，无面荷载SHELL41膜壳4EDGBA有仅拉选项SHELL43塑性大应变壳4 EPCDFGBA计入剪切变形SHELL51轴对称结构壳2EPCSDG有单元相交角度限制SHELL61轴对称谐波壳2EG荷载可不对称SHELL63弹性壳4 EDGB刚度选项，未计入剪切变形SHELL91非线性层壳8EPSDFGA计入剪切变形影响，节点可偏置设置（93除外）SHELL93结构壳8EPSDFGBASHELL99线性层壳8E

40、DGSHELL143塑性小应变壳4EPCDGBA计入剪切变形SHELL150结构壳P元8ESHELL181有限应变壳4EPCDFGBA超弹、黏弹、黏塑计入剪切变形，可为分层结构壳SHELL208有限应变轴对称结构壳2 SHELL2093注：上表节点自由度栏中，表示，表示。单元使用应注意的其他问题：（1） 通常不计剪切变形的壳元由于薄板壳结构，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由于很薄的板壳结构时，会发生“剪切闭锁”（也称剪切自锁死，剪切自锁，Shear locking），在Timoshenko梁中，当梁高远远小于梁长时，也会出现这种现象。为防止出现剪切闭锁，一般采用减

41、缩积分（Reduced integration）或假设剪应变（Assumed shear strains）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。（2） 其他特点除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支持读入初应力且可仅选平动自由度（膜结构）；仅SHELL93/181支持缩减积分；仅SHELL43/63/143具

42、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；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。当用与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。每个单元的特性如表1-10所示，其详细使用方法参见相关资料。 弹簧单元特性 表1-10单元名称简称节点数节点自由度特性备注COMBIN73D铰接连

43、结单元2+3 EDNA具有转动控制功能COMBIN14弹簧阻尼器单元21D：URPT之一2D：3D：EDGBN无控制功能COMBIN37控制单元2,3,4URPT之一ENA具有滑动控制功能COMBIN39非线性弹簧单元21D：URPT之一2D：3D：EDGN无控制功能COMBIN40组合单元2URPT之一ENA具有滑动控制功能注：1.上表节点自由度中的URPT表示：（），（），Pres，Temp。2. 上表特性栏中的N表示非限性（Nonlinear）。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。节点自由度可为，通过不同设置可仅考虑2D或3D内的平动自由度及其组合，

44、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、大变形和单元生死。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。点点单元用来模拟点对点的接触行为，且预先知道接触位置；点面单元用来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 接触单元特性表1-11单元名称简称节点数节点自由度特性备注CONTAC122D点点元2ENA法向预加载或间隙。只受法向压力和切向剪力（库

45、仑摩擦）CONTAC523D点点元2ENATARGE1692D目标元3UTVARENB覆盖于实体元，可模拟复杂形状CONTA1712D2节点面面元2UTVAENDB覆于平面单元和梁单元，可处理库仑摩擦和剪应力摩擦CONTA1722D3节点面面元3UTVAENDBTARGE1703D目标元8UTVMRENB覆盖于实体元，可模拟复杂形状CONTA1733D4节点面面元4UTVMENDB覆于3D实体单元和壳单元，可处理库仑摩擦和剪应力摩擦CONTA1743D8节点面面元8UTVMENDBCONTA1752D/3D点面元1UTVAENDB点面/线面/面面，实体/梁/壳表面CONTA1783D点点元2E

46、N任意单元上的节点注：1.节点自由度栏中U-，（3D），T-Temp，V-Vol，A-Az，M-Mag，R-Rotz。2. CONTAC26（点对地基元）、CONTAC48/49（2D/3D点面元）在高版本中不再支持，故表中未列。3. UTVAMR中不是全部同时存在的自由度，可通过Keyopt（1）设置不同的自由度。4. 此类单元均无面或体的结构荷载，但具有温度荷载。5. TARGE169/170可用于MPCs模拟装配接触分析，如壳壳、壳实体、实体实体、梁实体等。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，每个节点具有6个自由度，即，。该单元无面荷载或体荷载，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荷载向量和比例系数施加，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），不支持非线性特征（忽略所包含的单元非线性）。