2008A_第06讲

1、硕士研究生学位课程讲义（2008）第六讲 内容提要9. 结构分析常用单元性能简介 9.1 空间杆、梁单元 9.2 平面单元 9.3 板壳单元 9.4 实体单元 9.5 钢筋混凝土单元 9.6 单元应用示例与比较31 March 20081通用有限元程序ANSYS及应用9.结构分析常用单元性能简介在单元手册(资料或在线帮助)中，ANSYS单元库有100多种单元类型，其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。有限元建模的工作之一就是将单元的选择范围缩小到少数几个单元上。单元种类具体单元名称单元图示ANSYS 单元名称单元特性(类别, 编号)31 March 20082通用有限元程序ANSY

2、S及应用9.结构分析常用单元性能简介（续1）常用单元的形状.点 (质量)面 (薄壳, 二维实体,轴对称实体)线性二次.线(弹簧，梁，杆，间隙)体(三维实体)线性二次.June 3, 19963在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。选择维数最低的单元去获得预期的结果 (尽量做到能选择 点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体)。对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。你可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。9.结构分析常用单元性能简介（续2）选择单元的基本准则June 3, 19964 线单元:Be

3、am (梁)单元是用于螺栓(杆)，薄壁管件，C形截面构件，角钢或者狭长薄膜构件(只有膜应力和弯应力的情况)等模型。Spar (杆)单元是用于弹簧，螺杆，预应力螺杆和薄膜桁架等模型。Spring 单元是用于弹簧，螺杆，或细长构件，或 通过刚度等效替代复杂结构等模型。主要单元类型举例 19.1 空间杆、梁单元June 3, 19965 X-Y 平面单元:单元定义在整体笛卡尔X-Y平面内（有限元模型必须建在此面内），分平面应力、平面应变或轴对称几种受力状态。平面应力或应变:OKNJMPLIIJK,L,OPNMTriangular OptionY(or Axial)X (or Radial)主要单元类

4、型举例 2-19.2 平面单元June 3, 19966平面应力 假定在Z方向上的应力为零，主要有以下特点：当Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上的尺寸才有效。所有的载荷均作用在XY平面内。在Z方向上存在应变。运动只在XY平面内发生。允许具有任意厚度 (Z方向上) 。平面应力 分析是用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。主要单元类型举例 2-29.2 平面单元（续1）June 3, 19967平面应变 假定在Z方向的应变为零，主要具有以下特点：当Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上的尺寸才有效。所有的载荷均作用在XY平面内。在Z方向上存在应力。运动只在XY平

5、面内发生。平面应变分析是用于分析那种一个方向的尺寸（指定为总体Z方向）远远大于其它两个方向的尺寸，并且垂直于Z轴的横截面是不变的。主要单元类型举例 2-39.2 平面单元（续2）June 3, 19968轴对称 假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360o 形成的（管，锥体，圆板, 圆顶盖，圆盘等）。对称轴必须和整体 Y 轴重合。不允许有负 X 坐标。Y 方向是轴向，X方向是径向， Z方向是周向 (hoop) 。周向位移是零；周向应变和应力十分明显。只能承受轴向载荷（所有载荷）。Hoop主要单元类型举例 2-49.2 平面单元（续3）June 3, 19969 壳单元:Shell (

6、壳)单元用于薄面板或曲面模型。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 510 倍。主要单元类型举例 39.3 板壳单元June 3, 199610 三维实体单元:用于那些由于几何、材料、载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构。四面体模型使用CAD建模往往比使用专业的FEA分析建模更容易，也偶尔得到使用。KRLQOPMNJIXYZTetrahedron meshBrick mesh主要单元类型举例 49.4 实体单元June 3, 199611主要单元类型举例 49.5 钢筋混凝土单元（SOLID65）将在第11章（第八讲）详细介绍June 3,

7、 1996129.6 单元应用示例与比较 Beam4 or Beam188？ Plane Stress （Solid42）or Shell？ 4 Nodes or 8 Nodes？June 3, 1996139.6 单元应用示例与比较（续1） Beam4 插值函数阶数高（计算精度高），截面参数简单、直接赋值，修改截面参数便捷； Beam188 考虑剪切变形更准确，可以定义异型截面，可以定义复合截面； Beam188 需要额外关键点定义截面方向；June 3, 1996149.6 单元应用示例与比较（续2） Plane Stress （Solid42）只有面内变形，一般不考虑厚度； Shell单元主要是考虑面外弯曲变形，厚度是关键几何参数；June 3, 1996159.6 单元应用示例与比较（续3） 4节点单元插值函数阶数低（计算精度低）； 节点在单元角点，容易与周边协调连接； 8节点单元计算精度高，可以更好模拟曲线边界；June 3, 199616 课后练习 试用Beam188单元的用户自定义截面功能、单 元方向点功能； 对作业3中开孔板单向拉伸