ANSYS与结构分析解析

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(ComputerAidedEngineering。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理力学性

2、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SwansonAnalysisSystemInc,后来重组后改称AN-SYS公司，总部设在美国宾西法尼业

3、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11.0beta1.1.1 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。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(预条件共钥梯度、雅可比共钥梯度、不完全共钥梯度)，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，用户可根据问题类型选择合适的求解器

4、。(2) 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。(3) 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。(4) 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。(5) 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。具有多种接口能力：ANSYS提供了与多数CAD软件

5、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、ParasolidSolidwork、CADAM、SoldedgsSolidDesignerCADKEY、CADDS、AUTOCAD等，以及NASTRAN、Algor-FEM、IDEAS等。(6) 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。(7) 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，这点是很多软件所不能比拟的。(8) 强大的数据

6、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。(9) 支持多种硬件平台和操作系统平台。1.1.2ANSYS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：-结构分析一分析结构的变形、应力和稳定问题；-热分析一分析系统或部件的温度分布；-流体分析一分析确定流体的流动状态和温度；-电磁场分析一分析计算电磁设备中的磁场；-耦合场分析一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

7、：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届于静力分析类型，不届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

8、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。1.1.3ANSYS处理器用户无需十分活楚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。通常一个命令必须在其所届的处理器下执行，否则会出现错误，但有的命令可以在多个处理器下使用，其目的在丁方便操作。当启动

9、进入ANSYS时，ANSYS位丁开始级，不处丁任何处理器下。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，赋予材料届性，分网与施加边界条件等MainMenu>Preprocessor/prep7solution加载、求解MainMenu>Solution/solupost1查看某个时刻的计算结果MainMenu>GeneralPostproc/post1post26查看时间历程上的计算结果MainMenu>TimeHistPo

10、stpro/post26opt优化设计MainMenu>DesignOpt/optpds概率设计MainMenu>ProbDesign/pdsaux2把二进制文件变为可读文件UtilityMenu>File>List>NinaryFiles/aux2aux12在热分析中计算辐射因子和矩阵MainMenu>RadiationOpt/aux12aux15从CAD和FEM程序中传递文件MainMenu>File>Import/aux15runstart估计运算时间、运行状态等MainMenu>Run-TimeStats/runst1.1.4ANS

11、YS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义件.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.rsl热分析磁场分析流体力学分析.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。文件容量取决丁系统的限制，对丁NTFS格式的Windows2000/N

12、T/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。1.1.5ANSYS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(GraphicalUserInterface；)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。对丁初学者，该方式比较简单，易丁上手和使用。命令方式是从命令行

13、输入命令及命令域的值。对丁常用且熟悉的命令，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，但对丁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丁一个文本文件中，可通过/input命令或(UtilityMenu>File>ReadInputFrom.)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

14、，如仅将命令罗列起来相当丁命令方式，这对丁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：类似丁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，便丁保存，也为相互交流提供便利所以，作者强烈推荐使

15、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，而对丁GUI方式稍加介绍。因此，本书可能对丁初学者而言初始略有困难，但很快会从中受益。1.1.6ANSYS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：-ANSYS/PrepPost一前后处理子系统；-ANSYS/Structural结构分析子系统；-ANSYS/Thermal温度场子系统；-ANSYS/FLOTRAN一流场分析子系统；-ANSYS/LS-D

16、YAN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一高级通用图形接口模块；-ANSYS/CivilFEM土木工程分析专用模块；-ANSYS/CFX一流体动力分析子系统；DYNAFORM一板成形仿真专用模块；-ANSYS/Linflow一气弹和颔振分析专用模块；-ANSYS/ParaMesh-参数化变形工具；-ANSYS/FEModeler一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一新一代动力分析系统；-DesignSpace-智能化设计工具；-DesignXPloereVT一多目

17、标快速优化模块；-DropTest-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。1.2ANSYS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PLA

18、NE2,PLANE25,PLANE42,PLANE82,PLANE83,PLANE145,PLANE146,PLANE182,PLANE1833D实体单元SOLID45,SOLID46,SOLID64,SOLID65,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,SHEL

19、L208,SHELL209弹簧单元COMBIN7,COMBIN14,COMBIN37,COMBIN39,COMBIN40质里单兀MASS21接触单元CONTAC12,CONTAC52,TARGE169,TARGE170,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,HYP

20、ER86,HYPER158耦合场单元SOLID5,PLANE13,FLUID29,FLUID30,FLUID38,SOLID62,FLUID79,FLUID80,FLUID81,SOLID98,FLUID129,INFIN110,INFIN111,FLUID116,FLUID130界面单兀INTER192,INTER193,INTER194,INTER195显示动力分析单元LINK160,BEAM161,PLANE162,SHELL163,SOLID164,COMBI165,MASS166,LINK167,SOLID1681.2.1杆单元杆单元适用丁模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。该类单元只

21、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2Ux，UyEPCSDGB常用单元LINK83D杆Ux,Uy,UzEPCSDGBLINK103D仅受拉或仅受压杆EDGB模拟缆索的松弛及间隙LINK113D线性调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(Elastic

22、ity),P-塑性(Plasticity),C-蠕变(Creep),S-膨胀(Swelling),D-大变形或大挠度(Largedeflection),F-大应变(Largestrain)或有限应变(Finitestrain),B-单元生死(Brithanddead),G-应力钢化(Stressstiffness)或几何刚度(Geometricstiffening),A-自适应下降(Adaptivedescent)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)

23、LINK10届丁非线性单元，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)夕卜，它均可应

24、用丁上述结构中，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单元还可用丁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2Ux,UY,RotzEDGB

25、常用平面梁兀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2Ux,Uy,UzRotx,Roty,FEDGB拉压弯扭，常用3D梁元BEAM243D薄壁梁2+1otzEPCSDGB拉压弯及圣维南扭转，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+1Ux,Uy,UzRotx,Roty,fEPCD【otzFGBTimoshenko梁，计入剪切变形影响，可增加翘曲自由度，可采用梁或增加warp黏弹性awB

26、EAM1893D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梁元必须位丁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，并使原来垂直丁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)。当梁的高度远小丁跨度时，可忽略剪切变形的影响，但梁高相对丁跨度不太小时，则要考虑剪切变形的影响。经典梁元基丁变形前后垂直丁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，仍假定原来垂直丁中面的截面变形后仍保持平面(但不一

27、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Timoshenk。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

28、ENDRELEASE命令对自由度进行释放，如将刚性节点设为球皎等。(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。BEAM188/189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

29、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问分布荷载、集中荷载和节点荷载，但BEAM188/189不支持跨问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：对丁输入实常数的梁元，其截面高度仅用丁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，关丁水平轴不对称的截面，其应力计算是没有

30、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形管儿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PIPE16

31、PIPE593D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；可计算薄壁管和厚壁管，但某些应力的计算基丁薄壁管理论；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。1.2.42D实体单元2D实体单元是一类平面单元，可用丁平面应力、平面应变和轴对称问题的分析，此类单元均位丁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。各种单元的具体特性如表

32、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Ux,UyEPCSDFGBA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兀选项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E支持28阶多项式PLANE1466节点三角形P单元支持28阶多项式PLAN4节点四边形具有更多的非线性材E182单元EPCSDFGBA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Ux,Uy,UzEGB模拟非对称荷载的轴对称结

33、构PLANE838节点谐结构单元是PLANE25的高阶单元单元使J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

34、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)。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。1.2.53

35、D实体单元3D实体单元用丁模拟三维实体结构，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。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8EDGY/NN层数达250或更多SOLID64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

36、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/、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/NYSOLID191分层实体元20EGAY/NN层数三100单元使用应注意的其他问题:关丁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UX,UY,UZ,Rotx,Ro

37、ty,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乂可退化为金字塔(也称宝塔)单元。(3) SOLID185积分方式可选择完全积分的B方法、减缩积分、增

38、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4UXYZ或RcyzEG纯男，尤面荷载SHELL41膜壳4UX

39、YZEDGBA有仅拉选项SHELL43塑性大应变壳4UXYZ,RXYZEPCDFGBA计入剪切变形SHELL51轴对称结构壳2UXYZ,KoTZEPCSDG有单兀相交角度限制SHELL61轴对称谐波壳2EG荷载可小对称SHELL63弹性壳4UXYZ，RXYZEDGB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8EDGSHELL143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

40、，可为分层结构壳SHELL208有限应变轴对称结构壳2UXY,R)TZSHELL2093注：上表节点自由度栏中UXYZ，表示UX,UY,UZ,RXYZ表示Rotx,Roty,Rotz。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丁薄板壳结构，而计入剪切变形的壳元用丁中厚度板壳结构。当计入剪切变形的壳元由丁很薄的板壳结构时，会发生“剪切闭锁”(也称剪切自锁死，剪切自锁，Shearlocking)，在Timoshenko梁中，当梁高远远小丁梁长时，也会出现这种现象。为防止出现剪切闭锁，一般采用减缩积分(Reducedintegration或假设剪应变(Assumedshearstra

41、ins等方法，这两种方法对丁Timoshenk。梁效果是一样的，但对丁板壳元是不同的。减缩积分比较常用，虽然有可能导致“零能模式”(zeroenergymode),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。 其他特点除8节点壳元外均具有非协调元选项；除SHELL28/51/61夕卜，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

42、模型，但一般限制单元间的交 角不大丁15；除SHELL28夕卜，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，不同丁用结构单元（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。此类单元主要用丁模拟皎销、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皎接连结单元2+3UXYZ,RxYZEDNA具有转动控制功能COMBIN14弹簧阻尼器单元21D:URPT之

43、一2D:UXY3D:Uxyz或RxYZEDGBN无控制功能COMBIN37控制单元2,3,4URPT之ENA具有滑动控制功能COMBIN39非线性弹簧单元21D:URPT之一2D:UXY3D:Uxyz或RXYZEDGN无控制功能COMBIN40组合单元2URPT之ENA具有滑动控制功能注：1.上表节点自由度中的URPT表示：uxyz(UX,UY,UZ),&(Rotx,Roty,Rotz),2. Pres,Tempo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Ux，Uy，Uz,Rotx,Roty,

44、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，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；面面单元用丁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CONTAC122

45、D点点元2Ux,UyENA法向预加载或间隙。只受法向压力和切向男力（库仑摩擦）CONTAC523D点点元2Ux,Uy,ENAUzTARGE1692D目标儿3UTVARENB覆盖于实体元，可模拟复杂形状CONTA1712D2节点面面兀2UTVAENDB覆于平面单兀和梁单元，可处理库仑摩擦和剪应力摩擦CONTA1722D3节点面面兀3UTVAENDBTARGE1703D目标儿8UTVMRENB覆盖于实体元，可模拟复杂形状CONTA1733D4节点面面兀4UTVMENDB覆于3D实体单兀和壳单元，可处理库仑摩擦和男应力摩擦CONTA1743D8节点面面兀8UTVMENDBCONTA1752D/3D点

46、面兀1UTVAENDB点面/线面/向向，实体/梁/壳表面CONTA1783D点点元2Ux,Uy,UzEN任启、单兀上的下点注:1.节点自由度栏中u-ux,Uy,Uz(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，如壳一壳、壳一实体、实体一实体、梁一实体等。1.2

47、.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UX,UY,UZ,Rotx,Roty,Rotz。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。该单元不能包含基丁拉

48、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)。超单元可包含其他超单元，2D超单元只能用丁二维分析，而3D超单元则只能用丁三维分析。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，可用丁各种荷载(法向、切向、法向渐变、输入欠量方向等)及表面效应(基础刚度、表面张力及附加质量等)情况，可覆盖丁任何二维(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。表面效应单元特性表1-12单元名称简称节点数节点自由度特性备注SURF1532D结构表面效应单元2或3Ux，UyEDGB有中间节点时为3节点SURF1543D结构表面效应单元4或8Ux,Uy,IJzEDGB有中间节点时为8节点1.2.12预紧、多点约束、网分单元(1)PRETS179为2D/3D预紧单元，由