我們之前討論了ANSYS不同單元類型連接中的Solid-Beam單元的連接，通過研究Solid-Beam單元連接的兩種方式，梳理了一下不同單元類型連接時(shí)需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。今天我們開始討論Solid-Shell單元的連接。

我們知道，Shell單元有6個(gè)自由度，而Solid單元只有3個(gè)自由度，因此不能通過簡(jiǎn)單的共節(jié)點(diǎn)方法實(shí)現(xiàn)Solid-Shell單元的連接。下面我們通過一個(gè)實(shí)例，研究下在ANSYS中是怎么實(shí)現(xiàn)Solid-Shell單元連接的。

對(duì)簡(jiǎn)單的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，我們通常將其簡(jiǎn)化成殼模型，可極大降低計(jì)算量，但在板上開一個(gè)階梯孔（如下圖），就沒法將其簡(jiǎn)化成殼模型了，但如果主要研究階梯孔附近的應(yīng)力情況，且不能有太大的計(jì)算量，此時(shí)我們可以采用Solid-Shell模型實(shí)現(xiàn)。

為了對(duì)比計(jì)算結(jié)果，筆者采用兩種方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：

方法一：對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)使用 Solid單元進(jìn)行分析；

方法二： 階梯孔附近使用Solid單元，其余位置使用Shell單元。這樣就引入了不同單元類型連接的問題。

仿真過程

Step1

建立分析模型

在SCDM中建立如下圖所示的分析模型，其中薄板尺寸為200mm*100mm，厚度為10mm；階梯孔大孔直徑為30mm，深5mm； 階梯孔 小孔直徑為 20mm ， 深5mm。

將模型切分為兩部分，切分位置如下圖所示。切分完成后將沒帶階梯孔的部分進(jìn)行抽中面處理。

Step2

建立分析項(xiàng)目

打開Workbench，選擇Static Structural模塊，并傳入上一步建立的幾何模型。本次分析使用默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼材料。雙擊Model進(jìn)入Mechanical。

Step3

建立接觸★

為模型的兩個(gè)部分建立Bond接觸，接觸面為殼的邊，目標(biāo)面為實(shí)體表面；接觸算法設(shè)置為MPC，約束類型設(shè)置為Normal Only……；具體設(shè)置如下圖所示。

Step4

網(wǎng)格劃分

1）總體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2mm；其余保持默認(rèn)。

2）將殼模型 的網(wǎng)格劃分方法設(shè)置為 四邊形為主，將實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分方法設(shè)置為 六面體為主。具體設(shè)置方法如下圖所示。

3）為了改善孔周圍的網(wǎng)格質(zhì)量，我們?yōu)殡A梯孔面設(shè)置一個(gè)映射網(wǎng)格劃分。

劃分好的網(wǎng)格如下圖所示：

Step5

載荷和約束設(shè)置

1）載荷：500N，Y軸負(fù)方向；

2）約束： 固定約束。

Step6

求解

求解設(shè)置全部保持默認(rèn)。

Step7

后處理

1）變形：2.9266mm；整個(gè)模型變形連續(xù)性較好。

2）總體應(yīng)力：Shell單元和Solid單元連接處存在應(yīng)力突變，應(yīng)力連續(xù)性較差；

3）階梯孔周圍最大應(yīng)力：172.85Mpa。

Step8

實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果

筆者對(duì)Solid單元建立的模型也進(jìn)行了計(jì)算，與 S olid-Shell單元建立的模型采用了相同的網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格劃分方法和邊界條件，計(jì)算結(jié)果如下：

1）變形：2.9266mm；整個(gè)模型變形連續(xù)性較好。

2）總體應(yīng)力：應(yīng)力連續(xù)性較好；

3）階梯孔周圍最大應(yīng)力：172.69Mpa。

通過對(duì)比兩次計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）全部使用Solid單元進(jìn)行分析和使用Solid單元和Shell單元連接起來進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果幾乎完全一致；（整體應(yīng)力最大數(shù)值的大小和位置，不用單元連接位置計(jì)算存在應(yīng)力奇異，不進(jìn)行比較）。

2）在Solid單元和Shell單元的連接處，會(huì)發(fā)生應(yīng)力不連續(xù)現(xiàn)象。我們不研究該處的應(yīng)力值，所以該處產(chǎn)生的應(yīng)力奇異可以忽略。

3）使用Solid單元和Shell單元建模和全部使用Solid單元進(jìn)行建模相比，節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大減少，顯著降低了計(jì)算量。

點(diǎn)擊下方 閱讀原文 下載本案例計(jì)算模型文件(2020R2)，提取碼為zm5d。

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