第四讲-单元生死 教学课件

第四讲单元生死第一页，共四十一页。何为单元的生和死？如果模型中加入（或删除）材料，模型中相应的单元就“存在”（或消亡）。单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元。主要用于：A、钻孔（如开矿和挖通道等）B、建筑物施工过程（如桥的建筑过程）C、顺序组装（如分层的计算机芯片组装）D、一些用户可以根据单元位置来方便的激活和不激活它们第二页，共四十一页。具有生死功能的单元LINK1SURF19SHELL41SOLID64PLANE83SHELL143PLANE2PIPE20PLANE42SOLID65SOLID87SURF151BEAM3MASS21SHELL43PLANE67SOLID90SURF152BEAM4SURF22BEAM44LINK68SOLID92SURF153SOLID5BEAM23SOLID45SOLID69SHELL93SURF154LINK8BEAM24PLANE53SOLID70SOLID95SHELL157LINK10PLANE25BEAM54MASS71SOLID96TARGE169LINK11MATRIX27PLANE55SOLID72SOLID97TARGE170PLANE13LINK31SHELL57SOLID73SOLID98CONTA171COMBIN14LINK32PIPE59PLANE75SHELL99CONTA172PIPE16LINK33PIPE60PLANE77PLANE121CONTA173PIPE17LINK34SOLID62PLANE78SOLID122CONTA174PIPE18PLANE35SHELL63PLANE82SOLID123第三页，共四十一页。单元生死的确定单元的生死状态可以根据ANSYS的计算数值决定，如温度，应力，应变等。可以用ETABLE命令(MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable)和ESEL命令(UtilityMenu>Select>Entities)来确定选择的单元的相关数据.对于由相变引起的模型效应（如焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模型体的一部分），失效扩展和另外一些分析过程中的单元变化是有效的。第四页，共四十一页。单元生死是如何工作的？要激活“单元死”的效果，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子[ESTIF],因子缺省值为1.0E-6。死单元的单元载荷将为0，从而不对载荷向量生效（但仍然在单元载荷的列表中出现）死单元的质量，阻尼，比热和其他类似效果也设为0值。单元的应变在“杀死”的同时也将设为0。第五页，共四十一页。单元生死如何工作？如果单元“出生”，并不是将其加到模型中，而是重新激活它们。用户必须在PREP7中生成所有单元，包括后面要被激活的单元。在求解器中不能生成新的单元。要“加入”一个单元，先杀死它，然后在合适的载荷步中重新激活它。当一个单元被重新激活时，其刚度，质量，单元载荷等将恢复其原始的数值。重新激活的单元没有应变记录（也无热量存储等）。第六页，共四十一页。如何使用单元生死特性可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死，其基本过程与相应的分析过程是一致的。建模施加载荷并求解查看结果第七页，共四十一页。建模建模：在PREP7中，生成所有单元，包括那些只有在以后载荷步中才激活的单元。在PREP7外不能生成新的单元。第八页，共四十一页。施加载荷并求解定义第一个载荷步：对于所有单元生死应用，在第一个载荷步中应设置全牛顿－拉夫森选项（能得到较好结果），因为程序不能预知EKILL命令出现在后面的载荷步中。用下列命令完成该操作：Command:NROPTGUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions第九页，共四十一页。施加载荷并求解杀死[EKILL]所有要加入到后续载荷步中的单元，用下列命令：Command:EKILLGUI:MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Other>KillElements单元在载荷步的第一个子步被杀死（或激活），然后在整个载荷步中保持该状态。要注意保证使用缺省的矩阵缩减因子不会引起一些问题。有些情况下要考虑用严格的缩减因子。用下列方法指定缩减因子数值：Command:ESTIFGUI:MainMenu>Solution>Other>StiffnessMult第十页，共四十一页。施加载荷并求解不与任何激活的单元相连的结点将“漂移”，或具有浮动的自由度数值。在一些情况下，用户可能想约束不被激活的自由度[D,CP等]以减少要求解的方程的数目，并防止出现位置错误。约束非激活自由度，在重新激活的单元要有特定的载荷（或温度等）时很有影响，因为在重新激活单元时要删除这些人为的约束。用户必须在重新激活在自由度上施加新的结点载荷。第十一页，共四十一页。第一个载荷步中命令输入示例：TIME,...!设定时间值（静力分析选项）NLGEOM,ON!打开大位移效果NROPT,FULL!设定牛顿－拉夫森选项ESTIF,...!设定非缺省缩减因子（可选）ESEL,...!选择在本载荷步中将不激活的单元EKILL,...!不激活选择的单元ESEL,S,LIVE!选择所有活动单元NSLE,S!选择所有活动结点NSEL,INVE!选择所有非活动结点（不与活动单元相连的结点）D,ALL,ALL,0!约束所有不活动的结点自由度（可选）NSEL,ALL!选择所有结点ESEL,ALL!选择所有单元D,...!施加合适的约束F,...!施加合适的活动结点自由度载荷SF,...!施加合适的单元载荷BF,...!施加合适的体载荷SAVESOLVE第十二页，共四十一页。后继载荷步在后继载荷步中，用户可以随意杀死或重新激活单元。象上面提到的，要正确的施加和删除约束和结点载荷。用下列命令重新激活单元：Command:EALIVEGUI:MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Other>ActivateElem第十三页，共四十一页。!第二个（或后继）载荷步：TIME,...ESEL,...EKILL,...!杀死选择的单元ESEL,...EALIVE,...!重新激活选择的单元...FDELE,...!删除不活动自由度的结点载荷D,...!约束不活动自由度...F,...!在活动自由度上施加合适的结点载荷DDELE,...!删除重新激活的自由度上的约束SAVESOLVE第十四页，共四十一页。查看结果必须清楚的是，“杀死”的单元仍在模型中，尽管对刚度（传导）矩阵的贡献可以忽略。它们将包括在单元显示，输出列表等操作中。例如，不激活的单元在结点结果平均（PLNSOL命令或MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu）时将“污染”结果。建议在单元显示和其他后处理操作前用选择功能将不激活的单元选出选择集。第十五页，共四十一页。使用ANSYS结果控制单元生死在许多时候，用户并不清楚的知道杀死和重新激活单元的确切位置。

例如，用户要在热分析中“杀死”熔融的单元（在模型中移去溶化的材料），事先不会知道这些单元的位置；用户必须根据ANSYS计算出的温度确定这些单元。当决定杀死或重新激活单元依靠ANSYS计算结果时，用户可以使用命令识别决定单元的生死。第十六页，共四十一页。杀死总应变超过许用值的单元：/SOLU!进入求解器......!标准的求解过程SOLVEFINISH!/POST1!进入POST1SET,...ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV!将总应变存入ETABLEESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20!选择所有总应变大于或等于0.20的单元FINISH!/SOLU!重新进入求解器ANTYPE,,RESTEKILL,ALL!杀死选择（超过允许值）的单元ESEL,ALL!读入所有单元......!继续求解第十七页，共四十一页。进一步的说明不活动的自由度上不能施加约束方程[CE,CEINTF等]。在非线性分析中，注意不要因为杀死或重新激活单元引起奇异性（如结构分析中的尖角）或刚度突变。这将使得收敛困难。在有单元生死的分析中打开FULL牛顿－拉夫森方法的适应下降选项将得到好的结果。用下列方法：Command:NROPT,FULL,,ONGUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions可以通过一个参数值来指示单元生死状态,可用于APDL逻辑分支(*IF等）或其他控制单元生死的应用场合。*GET,Par,ELEM,n,ATTR,LIVE](UtilityMenu>Parameters>GetScalarData)第十八页，共四十一页。进一步说明在单元生死中不能用多载荷步求解[LSWRITE]，因为不激活或重新激活的单元状态将不写入载荷步文件中。有多个载荷步的生死单元分析应该用一系列的SOLVE命令（MainMenu>Solution>CurrentLS）来做。第十九页，共四十一页。单元生死实例—隧道开挖仿真模拟问题的描述：中心圆圈代表隧道模型，考虑圣维南原理，取周围岩土的尺寸为隧道的5~6倍，隧道深度50m，10天挖完，挖去岩土同时增加支护，不考虑土体的非线性。54.548.15122530第二十页，共四十一页。材料性能支护，弹性模量E=3e10,泊松比v=0.2，密度=2700土体，弹性模量E=2.5e8,泊松比v=0.32，密度=2200几何常数：支护厚度0.4m外部载荷：只考虑自重作用单元选取：Mesh200单元—辅助网格划分，shell63单元用于模拟支护，Solid45单元用于模拟围岩结构。第二十一页，共四十一页。定义相关位置参数fini/cle*set,x1,-12!几何面2的位置参数*set,y1,-12*set,w1,28.9*set,h1,30.15*set,x2,-25 !几何面3的位置参数*set,y2,-12*set,w2,13*set,h2,30.15*set,x3,16.9!几何面4的位置参数*set,y3,-12*set,w3,13*set,h3,30.15*set,x4,-25!几何面5的位置参数*set,y4,-30*set,w4,54.9*set,h4,18*set,th,0.4!支护壳的厚度*set,length_z,50!隧道深度第二十二页，共四十一页。定义单元类型、实常数、材料属性/prep7et,1,mesh200,2!3-d线单元2节点et,2,mesh200,6!3-d面单元4节点et,3,shell63et,4,solid45r,1,th!壳的厚度mp,ex,1,3.0e10!支护材料属性，c30mp,prxy,1,0.2mp,dens,1,2700mp,ex,2,2.5e8!剩余土体的材料属性mp,prxy,2,0.32mp,dens,2,2200mp,ex,3,2.5e8!挖去土体的材料属性mp,prxy,3,0.32mp,dens,3,2200.1土体材料的性能是一样的，但是这里以不同的材料编号区分剩余土体和挖去土体，目的是为后面方便地选择被挖去得有效土体单元。第二十三页，共四十一页。创建隧道支护控制关键点k,,0,0k,,0,3.85k,,0.88,5.5k,,2.45,6.15k,,4.02,5.5k,,4.9,3.85k,,4.9,0第二十四页，共四十一页。创建隧道支护线模型和被挖去的土体面larc,1,2,6,8.13 !两端点，参考点，半径生成弧线larc,2,3,6,3.21larc,3,4,6,2.22larc,4,5,2,2.22larc,5,6,2,3.21larc,6,7,2,8.13larc,7,1,4,6a,1,2,3,4,5,6,7!由7条线生成一个面第二十五页，共四十一页。创建辅助面以及剩余土体的几何面blc4,x1,y1,w1,h1!创建面2blc4,x2,y2,w2,h2 !创建面3blc4,x3,y3,w3,h3 !创建面4blc4,x4,y4,w4,h4 !创建面5/pnum,area,1!打开面编号aplot第二十六页，共四十一页。划分网格aovl,1,2,3,4,5!5个面overlap布尔操作nummrg,all,,,,low!合并重复元素并保留低编号号码numcmp,all!压缩元素编号!为分网格准备l,1,8l,7,9l,6,10l,2,11lsel,s,line,,21,22,1lsel,a,line,,7asbl,5,all!用7,21,22三条线分割面lsel,s,line,,21,24,3lsel,a,line,,1asbl,7,all,!用1,21,24三条线分割面lsel,s,line,,22,23,1lsel,a,line,,6asbl,8,all!用6,22,23三条线分割面nummrg,all,,,,lownumcmp,all第二十七页，共四十一页。网格划分lsel,s,line,,2,5,1lccat,all!将2~5连接为一条线lesize,all,,,3!设置网格分数为3lsel,s,line,,9,11,2lsel,a,line,,6lsel,a,line,,1lesize,all,,,8lsel,s,line,,8,10,2lsel,a,line,,7lesize,all,,,12lsel,s,line,,21,24,1lesize,all,,,10,2type,2asel,s,area,,5,8,1amesh,all第二十八页，共四十一页。对其余的面进行网格划分asel,s,area,,1amesh,1lsel,s,line,,12,13,1lesize,all,,,8lsel,s,line,,15,18,1lesize,all,,,6,2asel,s,area,,2,3,1amesh,alllsel,s,line,,14lesize,all,,,24lsel,s,line,,19,20,1lesize,all,,,6,2lsel,s,line,,15,17,2lsel,a,line,,8lccat,allasel,s,area,,4amesh,alllsel,s,lccaldele,allnummrg,all,,,,lownumcmp,allallsel第二十九页，共四十一页。将支护的线模型拉伸成壳模型k,1000,,,-length_z !定义一个辅助关键点l,1,1000 !定义一个辅助线/view,1,1,1,1/replotextopt,esize,10,0!由线拉伸成壳的相关属性设置，10段，比例0lsel,s,line,,1,7,1adrag,all,,,,,,25gplottype,3real,1mat,1asel,s,loc,z,-25aplotlsel,s,loc,z,-25lesize,all,,,10mshape,0,2D !0表示用四边形单元划分mshkey,1！1表示映射网格amesh,all第三十页，共四十一页。创建围岩单元asel,invertaplotextopt,esize,10,0,extopt,aclear,1！原面网格不保存type,4mat,2asel,r,area,,2,8,1vdrag,all,,,,,,25allsel第三十一页，共四十一页。待挖去部分岩石的实体

mat,3vdrag,1,,,,,,25eplotnummrg,all,,,,lownumcmp,allfini第三十二页，共四十一页。加载并求解!a施加边界条件以及重力加速度/soluantype,staticasel,s,loc,x,x2asel,a,loc,x,x2+w4da,all,ux,0allsasel,s,loc,y,y4da,all,uy,0allsasel,s,loc,z,-length_zasel,a,loc,z,0da,all,uz,0allselacel,,10！重力加速度10第三十三页，共四十一页。设定分析选项deltim,0.1,0.05,0.2！时间步长autots,on!使用自动时间步长pred,on!打开时间步长预测器lnsrch,on!打开线性搜索nlgeom,on !打开大位移效果 nropt,full!设定牛顿-拉普森迭代cnvtol,f,,0.02,2,0.05!设定力收敛条件第三十四页，共四十一页。进行初始地应力计算esel,s,type,,3 !选择支护壳，然后将其杀死ekill,allesel,allesel,s,live !选择活单元nsle,snsel,invert!选择死单元上的节点d,all,all!约束其位移，使其不漂移nsel,allesel,all/pbc,all,,1！显示边界条件gp