ANSYS與結(jié)構(gòu)分析解析

1、第一章ANSYS與結(jié)構(gòu)分析1.1 ANSYS功能與軟件結(jié)構(gòu)工程和制造業(yè)的生命力在于產(chǎn)品的創(chuàng)新，而計(jì)算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用大大提高了產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效率和產(chǎn)品性能，用計(jì)算機(jī)對設(shè)計(jì)產(chǎn)品實(shí)時(shí)或進(jìn)行隨后的分析稱為計(jì)算機(jī)輔助工程。即CAE(ComputerAidedEngineering。該技術(shù)是由計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，它涉及計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、數(shù)字仿真技術(shù)、工程管理學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。隨著有限元理論和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，CAJ軟件和技術(shù)越來越成熟，已逐漸成為工程師實(shí)現(xiàn)工程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具。大型通用CAE軟件可對多種類型功能和產(chǎn)品物理力學(xué)性

2、能進(jìn)行分析，其應(yīng)用范圍及其廣泛，如ANSYS、ADINA、NASTRAN、MARC、ABAQUS、ADAMS、I-DEAS、SAP等。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于土木、地質(zhì)、礦業(yè)、材料、機(jī)械、儀器儀表、熱工電子、水利、生物醫(yī)學(xué)和原子能等工程的分析和科學(xué)研究。它可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)(如Windows、UNIX、Linux、HP-UX等)中運(yùn)行，可與大多數(shù)CAD軟件接口。1970年，Dr.John.Swanson成立了SwansonAnalysisSystemInc,后來重組后改稱AN-SYS公司，總部設(shè)在美國賓西法尼業(yè)

3、州的匹茲堡。近幾年來，ANSYS軟件發(fā)展迅速，功能不斷增強(qiáng)，目前最高版本為11.0beta1.1.1 ANSYS軟件的技術(shù)特點(diǎn)ANSYS的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：(1) 強(qiáng)大的建模能力：僅靠ANSYS本身就可建立各種復(fù)雜的幾何模型，可采用自底向上、自頂向下或兩者混合建模方法，通過各種布爾運(yùn)算和操作建立所需幾何實(shí)體。強(qiáng)大的求解能力：ANSYS提供了數(shù)種求解器，主要類型有迭代求解器(預(yù)條件共鑰梯度、雅可比共鑰梯度、不完全共鑰梯度)，直接求解器(波前、稀疏矩陣)、特征值求解法(分塊Lanczos法、子空間法、凝聚發(fā)、QR阻尼法)、并行求解器(分布式并行、代數(shù)多重網(wǎng)格)等，用戶可根據(jù)問題類型選擇合適的求解器

4、。(2) 強(qiáng)大的非線性分析能力：可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性、接觸非線性和單元非線性分析。其中，材料非線性包括壓電材料和形狀記憶合金等。(3) 強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力：可智能網(wǎng)格劃分，根據(jù)幾何模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。也可根據(jù)用戶的要求，實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)格劃分。(4) 良好的優(yōu)化能力：通過ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，確實(shí)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；通過ANSYS的拓?fù)鋬?yōu)化功能，可對模型進(jìn)行外形優(yōu)化，尋求物體對材料的最佳利用。(5) 單場及多場耦合分析能力：ANSYS不但能進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體運(yùn)動(dòng)、電磁等單場分析，還可進(jìn)行這些類型的相互影響研究，即多物理場耦合分析。具有多種接口能力：ANSYS提供了與多數(shù)CAD軟件

5、及有限元分析軟件的接口程序，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如UG、Pro/Engineer、ParasolidSolidwork、CADAM、SoldedgsSolidDesignerCADKEY、CADDS、AUTOCAD等，以及NASTRAN、Algor-FEM、IDEAS等。(6) 強(qiáng)大的后處理能力：可獲得任何節(jié)點(diǎn)和單元的數(shù)據(jù)，具有列表輸出、圖形顯示、動(dòng)畫模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式，可進(jìn)行多種數(shù)據(jù)工況的組合和各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，以及時(shí)間歷程分析能力等。(7) 強(qiáng)大的二次開發(fā)能力：可利用APDL、UPFS、UIDL等進(jìn)行二次開發(fā)，幾乎可完成用戶的任意功能要求，這點(diǎn)是很多軟件所不能比擬的。(8) 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)

6、統(tǒng)一能力：ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存模型數(shù)據(jù)和求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。(9) 支持多種硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)平臺(tái)。1.1.2ANSYS軟件的分析功能ANSYS軟件功能非常強(qiáng)大，主要可進(jìn)行下列五個(gè)方面的分析：-結(jié)構(gòu)分析一分析結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力和穩(wěn)定問題；-熱分析一分析系統(tǒng)或部件的溫度分布；-流體分析一分析確定流體的流動(dòng)狀態(tài)和溫度；-電磁場分析一分析計(jì)算電磁設(shè)備中的磁場；-耦合場分析一考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場之間的相互作用。ANSYS的結(jié)構(gòu)分析有七種類型，結(jié)構(gòu)分析的基本未知量是位移，其他未知量如應(yīng)力、應(yīng)變和反力等均通過位移量導(dǎo)出。七種類型的結(jié)構(gòu)分析功能如下：(1) 靜力分析

7、：用于求解靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)的靜態(tài)行為，可以考慮結(jié)構(gòu)的線性與非線性特性。非線性特性包括大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈、蠕變等。(2) 特征屈曲分析：用于計(jì)算線性屈曲荷載和屈曲模態(tài)。非線性屈曲分析和循環(huán)對稱屈曲分析屆于靜力分析類型，不屆于特征值屈曲分析類型。(3) 模態(tài)分析：計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，可采用多種模態(tài)提取方法?？捎?jì)算自然模態(tài)、預(yù)應(yīng)力模態(tài)、阻尼復(fù)模態(tài)、循環(huán)模態(tài)等。(4) 諧響應(yīng)分析：確定線性結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間正弦變化的荷載作用下的響應(yīng)。(5) 瞬態(tài)動(dòng)力分析：計(jì)算結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間任意變化的荷載作用下的響應(yīng)，可以考慮與靜態(tài)分析相同的結(jié)構(gòu)非線性特性，可以考慮非線性全瞬態(tài)和線性模態(tài)疊加

8、法。(6) 譜分析：模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于響應(yīng)譜或PSD輸入(隨機(jī)振動(dòng))引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變?？煽紤]單點(diǎn)譜和多點(diǎn)譜分析。(7) 顯示動(dòng)力分析：ANSYS/LS-DYNA可用于計(jì)算高度非線性動(dòng)力學(xué)和復(fù)雜的接觸問題。除上述七種分析類型外，還可進(jìn)行特殊分析，包括斷裂分析、復(fù)合材料分析、疲勞分析、P-方法、梁分析等。1.1.3ANSYS處理器用戶無需十分活楚ANSYS的內(nèi)部運(yùn)行過程，但有必要基本了解ANSYS內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。ANSYS按功能模塊分為九個(gè)處理器，每個(gè)處理器執(zhí)行不同的任務(wù)。通常一個(gè)命令必須在其所屆的處理器下執(zhí)行，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，但有的命令可以在多個(gè)處理器下使用，其目的在丁方便操作。當(dāng)啟動(dòng)

9、進(jìn)入ANSYS時(shí)，ANSYS位丁開始級(jí)，不處丁任何處理器下?？刹捎貌藛畏绞交蛎罘绞竭M(jìn)入處理器。當(dāng)在某個(gè)處理器完成操作后，應(yīng)先退出該處理器后再進(jìn)入其他處理器。ANSYS處理器如表1-1所示。ANSYS處理器處理器名稱功能路徑命令prep7建立幾何模型，賦予材料屆性，分網(wǎng)與施加邊界條件等MainMenu>Preprocessor/prep7solution加載、求解MainMenu>Solution/solupost1查看某個(gè)時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果MainMenu>GeneralPostproc/post1post26查看時(shí)間歷程上的計(jì)算結(jié)果MainMenu>TimeHistPo

10、stpro/post26opt優(yōu)化設(shè)計(jì)MainMenu>DesignOpt/optpds概率設(shè)計(jì)MainMenu>ProbDesign/pdsaux2把二進(jìn)制文件變?yōu)榭勺x文件UtilityMenu>File>List>NinaryFiles/aux2aux12在熱分析中計(jì)算輻射因子和矩陣MainMenu>RadiationOpt/aux12aux15從CAD和FEM程序中傳遞文件MainMenu>File>Import/aux15runstart估計(jì)運(yùn)算時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)等MainMenu>Run-TimeStats/runst1.1.4ANS

11、YS文件類型和格式當(dāng)執(zhí)行建立和分析任務(wù)時(shí)，ANSYS自動(dòng)創(chuàng)建大量文件，常用的文件如表1-2所示。ANSYS文件類型和格式表1-2文件類型文件擴(kuò)展名文件格式日志義件.log文本錯(cuò)誤文件.err文本輸出文件.out文本數(shù)據(jù)庫文件.db二進(jìn)制結(jié)果文件：結(jié)構(gòu)與耦合場分析.rsl熱分析磁場分析流體力學(xué)分析.rth.rmg.rfl二進(jìn)制圖形文件.grph文本二角化剛度矩陣文件.tri二進(jìn)制單元?jiǎng)偠染仃?emat二進(jìn)制組集的整體剛度矩陣和質(zhì)量矩陣.full二進(jìn)制荷載步文件.snn文本ANSYS的日志文件和錯(cuò)誤文件總是追加的，不是覆蓋方式。文件容量取決丁系統(tǒng)的限制，對丁NTFS格式的Windows2000/N

12、T/XP等，其限制容量為8GB,當(dāng)超過此值時(shí)可采用文件分割程序或命令，以滿足計(jì)算需要。1.1.5ANSYS輸入方式ANSYS的輸入方式常規(guī)可分為菜單方式、命令方式、宏方式、函數(shù)方式、文件方式等。從使用角度來看，可分為兩大類較為合適，即GUI(GraphicalUserInterface；)方式和命令流方式。1. GUI方式GUI方式包括了多種輸入方式，如常說的菜單方式、命令方式、函數(shù)方式，或者這些方式的組合(即通過點(diǎn)選菜單或輸入單個(gè)命令的方式，都可歸結(jié)為該類方式)。菜單方式是用鼠標(biāo)在ANSYS菜單上進(jìn)行選取，通過對話框完成各種操作。對丁初學(xué)者，該方式比較簡單，易丁上手和使用。命令方式是從命令行

13、輸入命令及命令域的值。對丁常用且熟悉的命令，用該方式更便捷，且因ANSYS提供聯(lián)想式提示，可使命令輸入更加快捷，參數(shù)及其順序更加準(zhǔn)確。函數(shù)方式也是從命令行中輸入，但僅輸入命令本身，其命令域的值將通過對話框輸入，這種方法也可簡化操作。GUI方式的特點(diǎn)是簡單、易學(xué)，但對丁復(fù)雜模型或?qū)嶋H模型的修改比較麻煩。2. 命令流方式命令流方式融GUI方式、APDL、UPFs、UIDL、MAC,甚至TCL/TK丁一個(gè)文本文件中，可通過/input命令或(UtilityMenu>File>ReadInputFrom.)讀入并執(zhí)行，也可通過拷貝該文件的內(nèi)容粘貼到命令行中執(zhí)行。命令流方式可包含上述多種方式

14、，如僅將命令羅列起來相當(dāng)丁命令方式，這對丁初學(xué)者而言可能更容易接受，命令流方式的主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：(1) 修改簡單：不必考慮因操作錯(cuò)誤造成模型的重大損失，也不必考慮DB文件的重要性而不斷保存，可以隨時(shí)修改參數(shù)，近而改變幾何模型和有限元模型等，一切都變得特別簡單和方便。(2) 可使用控制命令：類似丁if-then、do等控制命令的使用，可大大提高工作效率。(3) 可結(jié)合用戶界面處理：可將其他用戶界面相關(guān)的命令融入命令流中。(4) 文件處理更加方便：文件的輸入和輸出可由用戶控制，數(shù)據(jù)的處理將極其方便。(5) 交流和保存方便：命令流文件比較小，便丁保存，也為相互交流提供便利所以，作者強(qiáng)烈推薦使

15、用命令流方式進(jìn)行操作！本書將以命令流文件為主進(jìn)行介紹，而對丁GUI方式稍加介紹。因此，本書可能對丁初學(xué)者而言初始略有困難，但很快會(huì)從中受益。1.1.6ANSYS軟件的產(chǎn)品系列近幾年來，ANSYS軟件發(fā)展迅速，在國內(nèi)使用的有4.3、5.6、5.7、6.0、6.1、7.0、8.0、8.1等版本。伴隨著版本軟件的升級(jí)，ANSYS已開發(fā)出適應(yīng)不同用途、不同工作環(huán)境和學(xué)科的產(chǎn)品系列，主要有如下產(chǎn)品：-ANSYS/PrepPost一前后處理子系統(tǒng)；-ANSYS/Structural結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)；-ANSYS/Thermal溫度場子系統(tǒng)；-ANSYS/FLOTRAN一流場分析子系統(tǒng)；-ANSYS/LS-D

16、YAN顯示非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析子系統(tǒng)；-ANSYS/Connection和CAD軟件的接口模塊；-ANSYS/CADfix一高級(jí)通用圖形接口模塊；-ANSYS/CivilFEM土木工程分析專用模塊；-ANSYS/CFX一流體動(dòng)力分析子系統(tǒng)；DYNAFORM一板成形仿真專用模塊；-ANSYS/Linflow一氣彈和頷振分析專用模塊；-ANSYS/ParaMesh-參數(shù)化變形工具；-ANSYS/FEModeler一有限元模型解讀模塊；-PE-Safe-結(jié)構(gòu)疲勞耐久性分析專用模塊；-AINASTRAN一新一代動(dòng)力分析系統(tǒng)；-DesignSpace-智能化設(shè)計(jì)工具；-DesignXPloereVT一多目

17、標(biāo)快速優(yōu)化模塊；-DropTest-跌落仿真專用模塊；-Virtual.Motion機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析專用模塊；-Workbeach協(xié)同仿真環(huán)境。1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性ANSYS大多數(shù)單元為結(jié)構(gòu)單元，可根據(jù)分析目的選擇不同的單元類型，表1-3為結(jié)構(gòu)分析單元概要。結(jié)構(gòu)分析單元表1-2類別單元名稱桿單元LINK1,LINK8,LINK10,LINK11,LINK180梁單元BEAM3,BEAM4,BEAM23,BEAM24,BEAM44,BEAM54,BEAM188,BEAM189管單元PIPE16,PIPE17,PIPE18,PIPE20,PIPE59,PIPE602D實(shí)體單元PLA

18、NE2,PLANE25,PLANE42,PLANE82,PLANE83,PLANE145,PLANE146,PLANE182,PLANE1833D實(shí)體單元SOLID45,SOLID46,SOLID64,SOLID65,SOLID72,SOLID73,SOLID92,SOLID95,SOLID147,SOLID148,SOLID185,SOLID186,SOLID187,SOLID191殼單元SHELL28,SHELL41,SHELL43,SHELL51,SHELL61,SHELL63,SHELL91,SHELL93,SHELL99,SHELL143,SHELL150,SHELL181,SHEL

19、L208,SHELL209彈簧單元COMBIN7,COMBIN14,COMBIN37,COMBIN39,COMBIN40質(zhì)里單兀MASS21接觸單元CONTAC12,CONTAC52,TARGE169,TARGE170,CONTAC171,CONTAC172,CONTAC173,CONTAC174,CONTAC175,CONTAC178矩陣單元MATRIX27,MATRIX50表面效應(yīng)單元SUPF153,SUPF154黏彈實(shí)體單元VISCO88,VISCO89,VISCO106,VISCO107,VISCO108超彈實(shí)體單元HYPER56,HYPER58,HYPER74,HYPER84,HYP

20、ER86,HYPER158耦合場單元SOLID5,PLANE13,FLUID29,FLUID30,FLUID38,SOLID62,FLUID79,FLUID80,FLUID81,SOLID98,FLUID129,INFIN110,INFIN111,FLUID116,FLUID130界面單兀INTER192,INTER193,INTER194,INTER195顯示動(dòng)力分析單元LINK160,BEAM161,PLANE162,SHELL163,SOLID164,COMBI165,MASS166,LINK167,SOLID1681.2.1桿單元桿單元適用丁模擬桁架、纜索、鏈桿、彈簧等構(gòu)件。該類單元只

21、承受桿軸向的拉壓，不承受彎矩，節(jié)點(diǎn)只有平動(dòng)自由度。不同的單元具有彈性、塑性、蠕變、膨脹、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大撓曲（也稱大變形）、大應(yīng)變（也稱有限應(yīng)變）、應(yīng)力剛化（也稱幾何剛度、初始應(yīng)力剛度等）等功能，表1-4是該類單元較詳細(xì)的特性。桿單元特性表1-4單元名稱簡稱節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)自由度特性備注LINK12D桿2Ux，UyEPCSDGB常用單元LINK83D桿Ux,Uy,UzEPCSDGBLINK103D僅受拉或僅受壓桿EDGB模擬纜索的松弛及間隙LINK113D線性調(diào)EGB模擬液壓缸和大轉(zhuǎn)動(dòng)LINK1803D有限應(yīng)變桿EPCDFGB另可考慮黏彈塑性注：上表特征欄中的EPCSDFGBA為：E-彈性(Elastic

22、ity),P-塑性(Plasticity),C-蠕變(Creep),S-膨脹(Swelling),D-大變形或大撓度(Largedeflection),F-大應(yīng)變(Largestrain)或有限應(yīng)變(Finitestrain),B-單元生死(Brithanddead),G-應(yīng)力鋼化(Stressstiffness)或幾何剛度(Geometricstiffening),A-自適應(yīng)下降(Adaptivedescent)等。單元使用應(yīng)注意的其他問題：(1) 桿單元均為均質(zhì)直桿，面積和長度不能為零(LINK11無面積參數(shù))，僅承受桿端荷載，溫度沿桿元長線性變化。桿元中的應(yīng)力相同，可考慮初應(yīng)變。(2)

23、LINK10屆丁非線性單元，需迭代求解。LINK11可作用線荷載，僅有集中質(zhì)量方式。(3) LINK180無實(shí)常數(shù)型初應(yīng)變，但可輸入初應(yīng)力文件，可考慮附加質(zhì)量；大變形分析時(shí)，橫截面面積可以是變化的，即可為軸向伸長的函數(shù)或剛性的。(4) 通常用LINK1和LINK8模擬桁架結(jié)構(gòu)，如屋架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、桁架橋、桅桿、塔架等結(jié)構(gòu)以及吊橋的吊桿、拱橋的系桿等構(gòu)件。必須注意線性靜力分析時(shí)，結(jié)構(gòu)不能使幾何可變的，否則會(huì)造成位移超限的提示錯(cuò)誤。LINK10可模擬繩索、地基彈簧、支座等，如斜拉橋的斜拉索、懸索、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、纜風(fēng)索、彈性地基、橡膠支座等。LINK180除不具備雙線性特性(LINK10)夕卜，它均可應(yīng)

24、用丁上述結(jié)構(gòu)中，并且其可應(yīng)用的非線性性質(zhì)更加廣泛，還增加了黏彈塑性材料。(5) LINK1、LINK8和LINK180單元還可用丁普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的模擬，其初應(yīng)變可作為施加預(yù)應(yīng)力的方式之一。1.2.2梁單元梁單元分為多種單元，分別具有不同的特性，是一類軸向拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)的3D單元。該類單元有常用的2D/3D彈性梁元、塑性梁元、漸變不對稱梁元、3D薄壁梁元及有限應(yīng)變梁元。此類單元除BEAM189實(shí)為3節(jié)點(diǎn)外，其余均為2節(jié)點(diǎn)，但有些輔以另外的節(jié)點(diǎn)決定單元的方向，該類單元特性如表1-5所示。梁單元特性表1-5單元名稱簡稱節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)自由度特性備注BEAM32D彈性梁2Ux,UY,RotzEDGB

25、常用平面梁兀BEAM232D塑性梁2EPCSDFGB具有塑性等功能BEAM542D漸變不對稱梁2EDGB不對稱截面，可偏移中心軸BEAM43D彈性梁2Ux,Uy,UzRotx,Roty,FEDGB拉壓彎扭，常用3D梁元BEAM243D薄壁梁2+1otzEPCSDGB拉壓彎及圣維南扭轉(zhuǎn)，開口或閉口截面BEAM443D漸變不對稱梁2+1EDGB拉壓彎扭，不對稱截面，可偏移中心軸，可釋放節(jié)點(diǎn)自由度，可采用梁截面BEAM1883D線性有限應(yīng)變梁2+1Ux,Uy,UzRotx,Roty,fEPCD【otzFGBTimoshenko梁，計(jì)入剪切變形影響，可增加翹曲自由度，可采用梁或增加warp黏彈性awB

26、EAM1893D二次有限應(yīng)變梁3+1同BEAM188,但屬二次梁單元單元使用應(yīng)注意的其他問題：(1) 梁單元的面積和長度不能為零，且2D梁元必須位丁XY平面內(nèi)。(2) 剪切變形的影響：剪切變形將引起梁的附加撓度，并使原來垂直丁中面的截面變形后不再和中面垂直，且發(fā)生翹曲(變形后截面不再是平面)。當(dāng)梁的高度遠(yuǎn)小丁跨度時(shí)，可忽略剪切變形的影響，但梁高相對丁跨度不太小時(shí)，則要考慮剪切變形的影響。經(jīng)典梁元基丁變形前后垂直丁中面的截面變形后仍保持垂直的kirchhoff假定，如當(dāng)剪切變形系數(shù)為零時(shí)的BEAM3或BEAM4,。但在考慮剪切變形的梁彎曲理論中，仍假定原來垂直丁中面的截面變形后仍保持平面(但不一

27、定垂直),ANSYS的梁單元也均如此?？紤]剪切變形影響可采用兩種方法，即在經(jīng)典梁元的基礎(chǔ)上引入剪切變形系數(shù)(BEAM3/4/23/24/44/54)和Timoshenk。梁元(BEAM188/189)，前面的截面轉(zhuǎn)角由撓度的一次導(dǎo)數(shù)導(dǎo)出，而后者則采用了撓度和截面轉(zhuǎn)角各自獨(dú)立的插值，這是兩者的根本區(qū)別。(3) 自由度釋放：梁元中能夠利用自由度釋放的單元是BEAM44單元，通過keyopt(7)和keyopt(8)設(shè)定釋放I節(jié)點(diǎn)和J節(jié)點(diǎn)的各個(gè)自由度。但要注意模型中哪些單元使用自由度釋放的BEAM44，而哪些為普通的BEAM44單元，否則可能造成幾何可變體系。高版本中的BEAM188/189也可通過

28、ENDRELEASE命令對自由度進(jìn)行釋放，如將剛性節(jié)點(diǎn)設(shè)為球皎等。(4) 梁截面特性：梁元中能夠采用梁截面特性的單元有BEAM44和BEAM188/189三個(gè)單元，并且低版本中單元截面均為不變時(shí)才能采用梁截面。BEAM44在不使用梁截面而輸入實(shí)常數(shù)時(shí)可以采用變截面，且單元兩節(jié)點(diǎn)的面積比或慣性矩比有一定要求。BEAM188/189在V8.0以上版本中可使用變截面的梁截面，可根據(jù)兩個(gè)不同梁截面定義，且可以采用不同材料組成的梁截面，而BEAM44則不可。同時(shí)，BEAM188/189支持約束扭轉(zhuǎn)，通過激活第七個(gè)自由度使用。(5) BEAM23/24因具有多種特性，故實(shí)常數(shù)的輸入比較復(fù)雜。BEAM23可

29、輸入矩形截面、薄壁圓管、圓桿和一般截面的幾何尺寸來定義截面。BEAM24則通過一系列的矩形段來定義截面。(6) 荷載特性：梁單元大多支持單元跨問分布荷載、集中荷載和節(jié)點(diǎn)荷載，但BEAM188/189不支持跨問集中荷載和跨中部分分布荷載，僅支持在整個(gè)單元長度上分布的荷載。溫度梯度可沿截面高度、單元長度線性變化。特別注意的是，梁單元的分布荷載是施加在單元上，而不是施加在幾何線上，在求解時(shí)幾何線上的分布荷載不能轉(zhuǎn)化到有限元模型上。(7) 應(yīng)力計(jì)算：對丁輸入實(shí)常數(shù)的梁元，其截面高度僅用丁計(jì)算彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力，并且假定其最外層纖維到中性軸的距離為梁高的一半。因此，關(guān)丁水平軸不對稱的截面，其應(yīng)力計(jì)算是沒有

30、意義的。1.2.3管單元管單元是一類軸向拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)的3D單元，單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有六個(gè)自由度，即三個(gè)平動(dòng)自由度Ux，Uy，Uz和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度Rotx,Roty,Rotz,此類單元以3D梁元為基礎(chǔ)，包括了對稱性和標(biāo)準(zhǔn)管幾何尺寸的簡化特性。該類單元有直管、T形管、彎管和沉管四種單元類型，詳細(xì)特性如表1-6所示。管單元特性表1-6單元名稱簡稱節(jié)點(diǎn)數(shù)特性備注PIPE163D彈性直管元2EDGB可考慮兩種溫度梯度及內(nèi)部和外部壓力PIPE173D彈性T形管兒24EDGB可考慮絕熱、內(nèi)部流體、腐蝕及應(yīng)力強(qiáng)化PIPE183D彈性彎管元2+1EDBPIPE203D塑性直管元2EPCSDGB同PIPE16

31、PIPE593D彈性沉管元2EDGB可模擬海洋波，可考慮水動(dòng)力和浮力等，其余同PIPE16,且可模擬電纜PIPE603D塑性彎管元2+1EPCSDB同PIPE18單元使用應(yīng)注意的其他問題：(1) 管單元長度、直徑及壁厚均不能為零；可計(jì)算薄壁管和厚壁管，但某些應(yīng)力的計(jì)算基丁薄壁管理論；管單元計(jì)入了剪切變形的影響，并可考慮應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)和撓曲系數(shù)。1.2.42D實(shí)體單元2D實(shí)體單元是一類平面單元，可用丁平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和軸對稱問題的分析，此類單元均位丁XY平面內(nèi)，且軸對稱分析時(shí)Y軸為對稱軸。單元由不同的節(jié)點(diǎn)組成，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度均為2個(gè)(諧結(jié)構(gòu)實(shí)體單元除外)，即Ux和Uy。各種單元的具體特性如表

32、1-7所示2D實(shí)體單元特性表1-7單元名稱簡稱節(jié)點(diǎn)自由度特性備注PLANE26節(jié)點(diǎn)三角形單元Ux,UyEPCSDFGBA適應(yīng)于不規(guī)則的網(wǎng)格PLANE424節(jié)點(diǎn)四邊形單元具有協(xié)調(diào)和非協(xié)調(diào)兀選項(xiàng)PLANE828節(jié)點(diǎn)四邊形單元是PLANE42的高階單元，混合分網(wǎng)的結(jié)果精度高，適應(yīng)于模擬曲線邊界PLANE1458節(jié)點(diǎn)四邊形P單元E支持28階多項(xiàng)式PLANE1466節(jié)點(diǎn)三角形P單元支持28階多項(xiàng)式PLAN4節(jié)點(diǎn)四邊形具有更多的非線性材E182單元EPCSDFGBA料模型PLANE1838節(jié)點(diǎn)四邊形單元是PLANE182的高階單元PLANE254節(jié)點(diǎn)諧結(jié)構(gòu)單元Ux,Uy,UzEGB模擬非對稱荷載的軸對稱結(jié)

33、構(gòu)PLANE838節(jié)點(diǎn)諧結(jié)構(gòu)單元是PLANE25的高階單元單元使J用應(yīng)注意的其他問題：(1) 單元插值函數(shù)及說明：PLANE2的插值函數(shù)取完全的二次多項(xiàng)式，是協(xié)調(diào)元。PLANE42采用雙線性位移模式，是協(xié)調(diào)元。當(dāng)考慮內(nèi)部無節(jié)點(diǎn)的位移項(xiàng)(即附加項(xiàng))插值函數(shù)時(shí)則為非協(xié)調(diào)元；當(dāng)退化時(shí)自動(dòng)刪除形函數(shù)的附加項(xiàng)變?yōu)槌?yīng)變?nèi)切螁卧LANE82是PLANE42的高階單元，采用三次插值函數(shù)，當(dāng)退化時(shí)與PLANE2相同。PLANE182與PLANE42具有相同的插值函數(shù)，但無附加位移函數(shù)項(xiàng)，也可退化為3節(jié)點(diǎn)三角形。PLANE183是PLANE182的高階單元，與PLANE82的插值函數(shù)相同，也可退化為6節(jié)點(diǎn)

34、三角形。P單元的差值函數(shù)為28次，其中，PLANE145是8節(jié)點(diǎn)四邊形單元，而PLANE146是6節(jié)點(diǎn)的三角形單元。(2) 荷載特性：大多支持單元邊界的分布荷載及節(jié)點(diǎn)荷載，但P單元的節(jié)點(diǎn)荷載只能施加在角節(jié)點(diǎn)?？煽紤]溫度荷載，支持初應(yīng)力文件等。特別地，對平面應(yīng)力輸入單元厚度時(shí)，施加的分布荷載不是線荷載(力/長度)，而是面荷載(力/面積)。如果不輸入單元厚度，則為單位厚度。(3) 其他特點(diǎn)： 除6節(jié)點(diǎn)三角形單元外，其余均可退化為三角形單元；除P單元和諧結(jié)構(gòu)單元不支持讀入初應(yīng)力外，其余均支持；除4節(jié)點(diǎn)單元支持非協(xié)調(diào)選項(xiàng)外，其余都不支持；除4節(jié)點(diǎn)單元外，其余單元都適合曲邊模型或不規(guī)則模型。1.2.53

35、D實(shí)體單元3D實(shí)體單元用丁模擬三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，此類單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有三個(gè)自由度，即Ux，Uy，Uz三個(gè)平動(dòng)自由度，各種單元的特性如表1-8所示。3D實(shí)體單元特性表1-8單元名稱簡稱/3D節(jié)點(diǎn)數(shù)特性完全/減縮積分初應(yīng)力備注SOLID45實(shí)體元8EPCSDFGBAY/YY正交各項(xiàng)異性材料SOLID46分層實(shí)體元8EDGY/NN層數(shù)達(dá)250或更多SOLID64各向異體實(shí)體元8EDGBAY/NN各項(xiàng)異性材料SOLID65鋼筋混凝土實(shí)體元8EPCDFGBAY/NN開裂、壓碎、應(yīng)力釋放SOLID92四面體實(shí)體元10EPCSDFGBAY/NY正交各項(xiàng)異性材料SOLID95實(shí)體單元20EPCSDFGBAY/YY

36、是SOLID45的高階元SOLID147磚形實(shí)體P元20EY/NNP可設(shè)置28階SOLID148四面體實(shí)體P元10EY/NNP可設(shè)置28階SOLID185實(shí)體單元8EPCDFGBAY/Y等Y可模擬幾乎/、可壓縮的彈塑和完全不可壓縮的超彈SOLID186實(shí)體單元20EPCDFGBAY/YYSOLID187四面體實(shí)體元10EPCDFGBAY/NYSOLID191分層實(shí)體元20EGAY/NN層數(shù)三100單元使用應(yīng)注意的其他問題:關(guān)丁SOLID72/73單元：SOLID72是四節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)單元，SOLID73是八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，這兩個(gè)單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有6個(gè)自由度，即UX,UY,UZ,Rotx,Ro

37、ty,Rotz。在較高版本中，ANSYS已不再推薦使用，幫助文件中也不再介紹，但命令流仍然可用。其原因?yàn)椋?新的求解器PCG和SOLID92/95可以較好的解決原有的求解問題； 防止不同單元中“誤用”轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如與BEAM或SHELL共同建模時(shí)誤用轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。(2) 其他特點(diǎn)： 除8節(jié)點(diǎn)單元具有非協(xié)調(diào)單元選項(xiàng)外，其余均不支持。單元退化時(shí)均自動(dòng)變?yōu)閰f(xié)調(diào)元。 除8節(jié)點(diǎn)單元外，其余均適合曲邊模型或不規(guī)則模型。 除10節(jié)點(diǎn)單元不能退化外，其余單元皆可退化為棱柱體或四面體單元，且SOLID95/186乂可退化為金字塔(也稱寶塔)單元。(3) SOLID185積分方式可選擇完全積分的B方法、減縮積分、增

38、強(qiáng)應(yīng)變模式和簡化的增強(qiáng)應(yīng)變模式,且SOLID185/186/187單元均具有位移插值模式和混合插值模式(u-P插值)，以模擬幾乎不可壓縮的彈塑材料和完全不可壓縮的超彈材料。1.2.6殼單元?dú)卧梢阅M平板和曲殼一類結(jié)構(gòu)。殼元比梁元和實(shí)體元要復(fù)雜的多，因此，殼類單元中各種單元的選項(xiàng)很多，如節(jié)點(diǎn)與自由度、材料、特性、退化、協(xié)調(diào)與非協(xié)調(diào)、完全積分與減縮積分、面內(nèi)剛度選擇、剪切變形、節(jié)點(diǎn)偏置等，應(yīng)詳細(xì)了解各單元的使用說明。表1-9給出了板殼單元的特點(diǎn)。板殼單元特性表1-9單元名稱簡稱/3D節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)自由度特性備注SHELL28剪切/扭轉(zhuǎn)板4UXYZ或RcyzEG純男，尤面荷載SHELL41膜殼4UX

39、YZEDGBA有僅拉選項(xiàng)SHELL43塑性大應(yīng)變殼4UXYZ,RXYZEPCDFGBA計(jì)入剪切變形SHELL51軸對稱結(jié)構(gòu)殼2UXYZ,KoTZEPCSDG有單兀相交角度限制SHELL61軸對稱諧波殼2EG荷載可小對稱SHELL63彈性殼4UXYZ，RXYZEDGB剛度選項(xiàng)，未計(jì)入剪切變形SHELL91非線性層殼8EPSDFGA計(jì)入剪切變形影響，節(jié)點(diǎn)可偏置設(shè)置(93除外)SHELL93結(jié)構(gòu)殼8EPSDFGBASHELL99線性層殼8EDGSHELL143塑性小應(yīng)變殼4EPCDGBA計(jì)入剪切變形SHELL150結(jié)構(gòu)殼P元8ESHELL181有限應(yīng)變殼4EPCDFGBA超彈、黏彈、黏塑計(jì)入剪切變形

40、，可為分層結(jié)構(gòu)殼SHELL208有限應(yīng)變軸對稱結(jié)構(gòu)殼2UXY,R)TZSHELL2093注：上表節(jié)點(diǎn)自由度欄中UXYZ，表示UX,UY,UZ,RXYZ表示Rotx,Roty,Rotz。單元使用應(yīng)注意的其他問題：(1) 通常不計(jì)剪切變形的殼元由丁薄板殼結(jié)構(gòu)，而計(jì)入剪切變形的殼元用丁中厚度板殼結(jié)構(gòu)。當(dāng)計(jì)入剪切變形的殼元由丁很薄的板殼結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)生“剪切閉鎖”(也稱剪切自鎖死，剪切自鎖，Shearlocking)，在Timoshenko梁中，當(dāng)梁高遠(yuǎn)遠(yuǎn)小丁梁長時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。為防止出現(xiàn)剪切閉鎖，一般采用減縮積分(Reducedintegration或假設(shè)剪應(yīng)變(Assumedshearstra

41、ins等方法，這兩種方法對丁Timoshenk。梁效果是一樣的，但對丁板殼元是不同的。減縮積分比較常用，雖然有可能導(dǎo)致“零能模式”(zeroenergymode),但一般是在板殼較厚且單元很少時(shí)發(fā)生，這在實(shí)際情況中出現(xiàn)的較少，且板殼較厚時(shí)可選擇完全積分。 其他特點(diǎn)除8節(jié)點(diǎn)殼元外均具有非協(xié)調(diào)元選項(xiàng)；除SHELL28/51/61夕卜，均可退化為三角形形狀的單元；僅SHELL181支持讀入初應(yīng)力且可僅選平動(dòng)自由度（膜結(jié)構(gòu)）；僅SHELL93/181支持縮減積分； 僅SHELL43/63/143具有面內(nèi)Allman剛度選項(xiàng),SHELL181具有Drill剛度選項(xiàng)；大多數(shù)平板殼單元適合不規(guī)則模型和直曲殼

42、模型，但一般限制單元間的交 角不大丁15；除SHELL28夕卜，均支持變厚度、面荷載及溫度荷載。1.2.7彈簧單元彈簧單元是一類專門模擬“彈簧”行為的單元，不同丁用結(jié)構(gòu)單元（如LINK等）的模擬。當(dāng)用與一般彈簧時(shí)比較簡單，而當(dāng)具有控制作用時(shí)則比較復(fù)雜。此類單元主要用丁模擬皎銷、軸向彈簧、扭簧及其控制行為，但都不考慮彎曲作用，且此類單元均無面荷載和體荷載。每個(gè)單元的特性如表1-10所示，其詳細(xì)使用方法參見相關(guān)資料。彈簧單元特性表1-10單元名稱簡稱節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)自由度特性備注COMBIN73D皎接連結(jié)單元2+3UXYZ,RxYZEDNA具有轉(zhuǎn)動(dòng)控制功能COMBIN14彈簧阻尼器單元21D:URPT之

43、一2D:UXY3D:Uxyz或RxYZEDGBN無控制功能COMBIN37控制單元2,3,4URPT之ENA具有滑動(dòng)控制功能COMBIN39非線性彈簧單元21D:URPT之一2D:UXY3D:Uxyz或RXYZEDGN無控制功能COMBIN40組合單元2URPT之ENA具有滑動(dòng)控制功能注：1.上表節(jié)點(diǎn)自由度中的URPT表示：uxyz(UX,UY,UZ),&(Rotx,Roty,Rotz),2. Pres,Tempo上表特性欄中的N表示非限性（Nonlinear）。1.2.8質(zhì)量單元MASS21為具有6個(gè)自由度的點(diǎn)單元，即只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)自由度可為Ux，Uy，Uz,Rotx,Roty,

44、Rotz，通過不同設(shè)置可僅考慮2D或3D內(nèi)的平動(dòng)自由度及其組合，每個(gè)坐標(biāo)方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，該單元無面荷載和體荷載，支持彈性、大變形和單元生死。1.2.9接觸單元ANSYS支持三種接觸方式，即點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對面和面對面的接觸，接觸單元是覆蓋在模型單元的接觸面之上的一層單元。點(diǎn)點(diǎn)單元用來模擬點(diǎn)對點(diǎn)的接觸行為，且預(yù)先知道接觸位置；點(diǎn)面單元用來模擬點(diǎn)對面的接觸行為，預(yù)先不要確定接觸位置，接觸面之間的網(wǎng)格不要求一致；面面單元用丁模擬面對面的接觸行為，支持低階和高階單元，支持大變形行為等。各種單元的特性如表1-11所示接觸單元特性表1-11單元名稱簡稱節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)自由度特性備注CONTAC122

45、D點(diǎn)點(diǎn)元2Ux,UyENA法向預(yù)加載或間隙。只受法向壓力和切向男力（庫侖摩擦）CONTAC523D點(diǎn)點(diǎn)元2Ux,Uy,ENAUzTARGE1692D目標(biāo)兒3UTVARENB覆蓋于實(shí)體元，可模擬復(fù)雜形狀CONTA1712D2節(jié)點(diǎn)面面兀2UTVAENDB覆于平面單兀和梁單元，可處理庫侖摩擦和剪應(yīng)力摩擦CONTA1722D3節(jié)點(diǎn)面面兀3UTVAENDBTARGE1703D目標(biāo)兒8UTVMRENB覆蓋于實(shí)體元，可模擬復(fù)雜形狀CONTA1733D4節(jié)點(diǎn)面面兀4UTVMENDB覆于3D實(shí)體單兀和殼單元，可處理庫侖摩擦和男應(yīng)力摩擦CONTA1743D8節(jié)點(diǎn)面面兀8UTVMENDBCONTA1752D/3D點(diǎn)

46、面兀1UTVAENDB點(diǎn)面/線面/向向，實(shí)體/梁/殼表面CONTA1783D點(diǎn)點(diǎn)元2Ux,Uy,UzEN任啟、單兀上的下點(diǎn)注:1.節(jié)點(diǎn)自由度欄中u-ux,Uy,Uz(3D),T-Temp,V-Vol,A-Az,M-Mag,R-Rotz。2. CONTAC26（點(diǎn)對地基元）、CONTAC48/49（2D/3D點(diǎn)面元）在高版本中不再支持，故表中未列。3. UTVAMR中不是全部同時(shí)存在的自由度，可通過Keyopt（1）設(shè)置不同的自由度。4. 此類單元均無面或體的結(jié)構(gòu)荷載，但具有溫度荷載。5. TARGE169/170可用于MPCs模擬裝配接觸分析，如殼一殼、殼一實(shí)體、實(shí)體一實(shí)體、梁一實(shí)體等。1.2

47、.10矩陣單元MATRIX27為剛度、阻尼、質(zhì)量矩陣單元，可表示一種任意的單元。本單元具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可重合或不重合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，即UX,UY,UZ,Rotx,Roty,Rotz。該單元無面荷載或體荷載，但支持單元生死功能。其矩陣可為對稱或不對稱形式，通過Keyopt(3)設(shè)置為剛度矩陣、或阻尼矩陣、或質(zhì)量矩陣。本單元可模擬任意類型的單元，如模擬特殊彈簧和節(jié)點(diǎn)柔性連接等。MATRIX50為超單元，它是預(yù)先裝配好的，可獨(dú)立使用的一組單元。該單元無節(jié)點(diǎn)和實(shí)常數(shù)，其自由度數(shù)目由所包含的單元決定，其面荷載和體荷載可通過總的荷載向量和比例系數(shù)施加，支持大變形功能。該單元不能包含基丁拉

48、格朗日乘子的單元(如MPC184等)，不支持非線性特征(忽略所包含的單元非線性)。超單元可包含其他超單元，2D超單元只能用丁二維分析，而3D超單元?jiǎng)t只能用丁三維分析。1.2.11表面效應(yīng)單元SURF153和SURF154分別為2D和3D結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)單元，可用丁各種荷載(法向、切向、法向漸變、輸入欠量方向等)及表面效應(yīng)(基礎(chǔ)剛度、表面張力及附加質(zhì)量等)情況，可覆蓋丁任何二維(軸對稱諧結(jié)構(gòu)單元PLANE25/83除外)和三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元表面。此類單元的主要特性如表1-12所示。表面效應(yīng)單元特性表1-12單元名稱簡稱節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)自由度特性備注SURF1532D結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)單元2或3Ux，UyEDGB有中間節(jié)點(diǎn)時(shí)為3節(jié)點(diǎn)SURF1543D結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)單元4或8Ux,Uy,IJzEDGB有中間節(jié)點(diǎn)時(shí)為8節(jié)點(diǎn)1.2.12預(yù)緊、多點(diǎn)約束、網(wǎng)分單元(1)PRETS179為2D/3D預(yù)緊單元，由