ANSYS 有限元分析第12讲-单元操作

1、单元操作第 12 讲12. 单元操作多数前处理 几何建模，网格划分，甚至加载 是在建立实体模型中得到执行的。所有的后处理都是在节点和单元上被执行，其执行更取决于节点数量。但依然有几种情况需要直接对单元进行操作:特殊类型面载荷梁的后处理和特殊单元数据分层单元 (layered) 连接和合并单元（如桅杆、弹簧、对流）编辑课件.单元操作本章将介绍如下特殊单元主题:A. 单元坐标系B. 表面效应单元C. 单元表D. 专题编辑课件单元操作A. 单元坐标系模型中的每一个单元都伴随着一个单元坐标系。单元坐标系的目的是适应如下的力学量: 材料属性 (EX, KXX, etc.)求解中的应力和应变计算 (EPX

2、, SX, SY, etc.)正如 MAT (材料), TYPE (单元类型), 和 REAL (实常数设置),单元坐标系ESYS是第四个单元属性编辑课件单元操作.单元坐标系缺省的 ESYS 定位依赖单元类型。例如:线单元的x坐标一般起于单元的 I节点 止于J节点壳单元通常的缺省值是:单元坐标 X的方向是从节点 I 到节点 J在单元平面中单元坐标 Y垂直于单元坐标 X单元坐标 Z由右手螺旋法则确定实体单元的缺省作标是笛卡尔坐标IJXKXYZIJLXgYgZgIJKPMNOXYZ编辑课件单元操作.单元坐标系缺省的 ESYS对大部分情况已足够处理，但还有一小部分情况需要改变后方可处理。例如：实体单

3、元材料属性的方向，以玻璃纤维为代表，可能与笛卡尔坐标方向不平行。作用在表面的切线压力对单元有影响.XgYgZgX编辑课件单元操作.单元坐标系为了改变缺省的单元坐标系，需要建立与单元适应的局部坐标系 (CSYS 11 或更大).过程如下：1.定义一个具有合适方位的局部坐标系。位置任意设定.Utility Menu WorkPlane Local Coordinate Systems Create Local CS编辑课件单元操作.单元坐标系2.选择所需要的单元。3.把所有选上单元的单元坐标系改为第一步中定义的局部坐标系号码。Preprocessor Move/Modify -Elements-

4、Modify Attrib或使用 EMODIF 命令 ( emodif,all,esys,11)4.再度激活所有单元并转回先前坐标系 (CSYS).编辑课件单元操作.单元坐标系壳单元法线壳单元的法线方向。定义外表面和内则面。依次由定义单元的节点顺序(I-J-K-L)和内侧面决定。有时需要翻转一些单元的法线来匹配模型中剩余的部分在强大的图形处理模式中使用不同的颜色来表示外表面和内侧面。编辑课件单元操作.单元坐标系翻转壳单元法线的两种方法:翻转下面或翻转单元本身翻转下面:Preprocessor Move/Modify -Areas- Area Normals接着用“正确”方位拾取面，ANSYS会

5、扫描每个面并把与拾取面不匹配的面翻转。相接触的单元也被翻转（缺省执行）。编辑课件单元操作.单元坐标系直接颠倒壳单元:Preprocessor Move/Modify -Elements- Shell Normals或 执行ENORM,P接着用“正确”方位拾取一个单元编辑课件单元操作.单元坐标系演示:进入 前处理PREP7 ，恢复文件 pipe.db (基本图形转换规范单元的壳体网格划分文件; 注意一些壳是颠倒的)Move/Modify Shell Normals (或执行 ENORM,P)拾取一个紫色单元再列单元和节点正确方位编辑课件单元操作B. 表面效应单元怎样施加如下的压力荷载:象剪切荷载

6、一样与表面相切的荷载?象螺栓荷载一样在表面上变化的荷载?象屋顶上冰载荷一样由角到面的载荷?表面效应单元为处理一些问题提供了有效的方法。编辑课件单元操作.表面效应单元特点:象“皮肤”一样覆盖网格表面如同面载荷的管道很容易创建:选择表面上感兴趣的节点.激活恰当的单元类型执行 ESURF (或 Preprocessor Create Elements Surf Effect .).选择所有节点编辑课件单元操作.表面效应单元对 2-D和 3-D模型都有用:SURF151 & 153 是线单元 (热和结构的) ，表示 2-D模型的边。F152 & 154 是面单元 (热和结构的)，表示 3-D 模型的面

7、。本节只讨论 SURF154,其他单元可同理处理。SURF154 同单元参考手册中的描述l 编辑课件单元操作.表面效应单元SURF154使用不同的单元面号来承担不同类型的载荷。面号在 “Apply PRES on elems” 对话框中 (Solution -Loads- Apply Pressures On Elements), 如下所示.或 在 SFE 命令的LKEY范围内:SFE, ELEM, LKEY, PRES, , VAL1, VAL2, VAL3, VAL4编辑课件单元操作.表面效应单元假设给一套SURF154单元施加幅值为1000的压力，它的方向取决于使用了单元的那一个面。LK

8、EY=1:法线方向的压力.作用在单元上的绝对值 (沿着单元坐标Z的方向).例如: sfe,all,1,pres,1000 (选定所要的单元之后).编辑课件单元操作.表面效应单元LKEY=2和LKEY=3:切线压力，分别沿着单元坐标系的 X 和 Y 轴方向例如:sfe,eflat,3,pres,1000sfe,eslope,2,pres,1000(eflat 和 eslope由单元构成)编辑课件单元操作.表面效应单元LKEY=4:梯形分布的法线压力。 数值 = P1 + XgP2 + YgP3 + ZgP4P1-P4 被列入 VAL1-VAL4 （ SFE 命令）Xg,Yg, Zg 是单元各点在

9、以载荷合力作用点为坐标原点的单元坐标系的笛卡尔坐标.P1 为平均压力P2,P3,P4 分别压力在坐标中的斜率，若留空白缺省为P1作用在单元上的绝对值 (沿单元坐标Z的方向).XgP2Xg=0P1编辑课件单元操作.表面效应单元LKY=4 (续):例如, 施加一沿X方向、大小从200到1000的锥形压力，作用范围在X轴上的-2到 +2斜率 P2 = (1000-200)/4 = 200; P3 = 0; P4 = 0P1 是在 Xg=0处的值,按 P1 = 2(200) + 200 = 600计算sfe,eflat,4,pres,600,200,0,0编辑课件单元操作.表面效应单元LKEY=5任意

10、方向的压力，P1为压力矢量的数值 方向 = P2,P3,P4 现在代表矢量的方向余弦，对数值无影响。例如: sfe,eflat,5,pres,1000,-1,-1,0 定义了 X-Y面内45度方向的压力编辑课件单元操作.表面效应单元 KEYOPT(11)对压力载荷的影响：压力矢量的数值也依赖 KEYOPT(11).KEYOPT(11)=0 (缺省) 压力载荷作用于载荷作用面的投影面，并且包含切向投影面。KEYOPT(11)=1， 压力载荷作用于载荷作用面的投影面，不包含切向投影面。KEYOPT(11)=2， 压力载荷作用于载荷的整个作用面。编辑课件单元操作.表面效应单元例如: 在KEYOPT(

11、11)=0的条件下，sfe,ecurv,5,pres,1000,0,-1,0 在曲面上定义了一螺栓荷载。如下图位置1轮廓线所示。 编辑课件单元操作.表面效应单元KEYOPT(11)=2 对整个面施加压力。对斜面有用(如屋顶)或风载荷。如: sfe,eslope,5,pres,1000,0,-1,0 对整个斜面定义了完全相同的压力。如下图所示编辑课件单元操作.表面效应单元其他表面效应单元的应用:实体单元的扭矩借助修改的单元坐标系施加切线荷载.对轴和螺钉问题非常适用热描述 (SURF151 & 152) 有许多内容, 包括: 转移到1维管道单元 FLUID116的热量通过一个面的热量损失的简便计算

12、。辐射编辑课件单元操作.表面效应单元演示:进入前处理 PREP7 ，恢复文件 boltload.db添加 SURF154 作为单元类型 1 (显示选项)选择孔的底面和与之接触的节点激活类型 1，执行 ESURF操作建立表面单元选择 everything 并列单元选择类型1单元，对面 5 施加压力:value= 1000, val2= 0, val3= -1, val4= 0选择t everything, 保存数据库文件，求解在POST1中列 Y方向的应力停留在 POST1中 (下一个演示)编辑课件单元操作C. 单元表单元表，在 POST1 (综合后处理)中使用有两个功能:对结果数据执行算术运算

13、访问非直接有用的结果数据 (如certain line elements)单元表有点象电子数据表:每一行描绘一个单元每一列由单元的数据构成编辑课件单元操作 . 单元表一个单元表的标准形成过程由下列几个步骤构成:首先选择需要的单元把结果数据装填到表中列出或绘出数据执行所想要的算术运算 GUI方式下的 General Postproc Element Table.中给出了单元表的功能编辑课件单元操作 . 单元表选择想要的单元许多情况下，只需要在模型中为单元的子集使用单元表。.因此,第一步就是挑选想要的单元:根据属性(MAT, TYPE, REAL, or ESYS)根据节点根据相连接的模型实体根据

14、结果等等.编辑课件单元操作 . 单元表给单元表添加结果数据明确想要添加的数据项并给它取一个名字或卷标，名字或卷标被用来列出、绘出数据或对数据进行操作。使用 ETABLE 命令 (e.g, etable,evolume,volu)或 Element Table Define Table编辑课件单元操作 . 单元表一些数据类型只能被有序数识别，在单元参考手册中提供了有序数的大量资料。例如, SURF154单元5号面上的有效压力作为有序数 “SMISC 17.”被保存起来。把SURF154 添加到单元表: etable,p5,smisc,17参阅你手中的基础分析过程指导 (可网上浏览)，获取有序数方

15、法的细节编辑课件单元操作 . 单元表列出或绘出单元表数据Element Table List Elem Table (或 PRETAB 命令)编辑课件单元操作 . 单元表Element Table Plot Elem Table (or PLETAB,name)编辑课件单元操作 . 单元表缺省不是求节点数据的平均, 每一个单元有一种颜色. 为了得到平滑的轮廓线，激活求平均按钮。编辑课件单元操作 . 单元表注意每个单元的每个数据项只有一个值:即该单元的平均或有效值。例如,如果把节点的位移 UX添加到单元表,单元节点的平均 UX就被存储到每个单元。其他查阅单元表数据的方法:把数据绘制成图线从而获得

16、径线图或列数据。可以添加3个标量数 (如单元x方向的压力，y方向的压力,z方向的压力)，合并他们可获得一矢量图。查看 PLVECT 命令获取细节编辑课件单元操作 . 单元表运算操作有点象电子数据表，可以在单元表的列间进行算术运算。一些有用的操作:两列相加 (SADD)乘 (SMULT)比较和保存两列的最大值和最小值 (SMAX or SMIN)每列的和 (SSUM 对选择的批单元的总量的计算很有用等等编辑课件单元操作 . 单元表例如:编辑课件单元操作 . 单元表若一个想要的操作无效，可以把单元表中的项上载到一数组参数，使用数组操作。使用 *VGET 命令 （或 Utility Menu Par

17、ameters Get Array Data)接着使用一个数组操作: *VOPER, *VSCFUN, 等例如,象平均数和标准偏差这些统计量在单元表水平上无法计算，但可以在数组水平上计算。编辑课件单元操作 . 单元表更新单元表如果为不同的载荷步骤或从不同的结果文件读进结果，单元表不会自动更新。执行 ETABLE,REFL (或在单元表数据对话框中点击 Update 按钮) 来“填充”或更新单元表。列头部的 “current” 或 “previous” 标示依赖数据项的状况。编辑课件单元操作 . 单元表既然单元表不能自动更新，那么就很容易比较两个载荷步的结果或两个不同的分析,如下所示:读载荷步1

18、,把结果项作为A1保存到单元表 。接着读进载荷步2 ，把结果项作为A2保存到单元表。现在可以比较 A1 和 A2，把最大值和最小值保存到第三列，或进行其他想要的操作。这项设置可以被扩展来比较相同模型的不同结果文件。编辑课件单元操作.单元表单元表的保存和删除:通过保存ANSYS数据库来保存单元表:在POST1 中保存数据库(Toolbar SAVE_DB 或 SAVE 命令).或退出ANSYS时使用 “Save everything” 选项来保存 (Toolbar QUIT 或 /EXIT,ALL 命令).删除全部单元表:Element Table Erase Table或 ETABLE,ERASE删除单元表中的一项