摘要：在LS-DYNA分析中經常會使用實體單元與殼體單元以滿足不同部位的分析要求，這就存在殼與實體單元連接時自由度不匹配的問題。本文詳述三種不同的連接方法案例。如果不需要傳遞轉動可以使用合并節點法和約束法，合并節點法要求節點重合，計算效率最高，約束法不要求節點重合。接觸法可以傳遞轉動，接觸法使用最為靈活，消耗的計算資源較多。

殼體單元的每個節點只有３個沿著x、y和z方向的平動自由度UX、UY、UZ；在實體單元中，每個節點具有六個自由度：沿x、y 和z方向的平動自由度UZ、UY、UZ以及繞X、Y和Z軸的轉動自由度TOTX、TOTY、ROTZ。當實體單元和殼單元連接在一起共同工作時，即存在自由度不協調問題。

案例部分分為四步，第一步建立沒有連接的模型，后三步都是在第一步模型的基礎上進行連接。具體操作視頻請在技術鄰搜索“李安民”，關注我，收看視頻。

1.1 模型建立

1.1.1 幾何模型

Geometry->Solid->Box，在Creat Box對話框或者圖形視口（Graphics Viewport）輸入實體單元尺寸，如果所示，點擊Apply關閉完成長方體。

Geometry->Surface->Plane，在Create Plane輸入如下圖所示的參數，點擊Appley生成平面。

1.1.2 網格劃分

FEM->Element and Mesh->Solid Mesher對實體網格劃分，填入Elem Size為0.5，點擊Try Meshing Automatically，若不滿意可以點擊Reject拒絕，再從新調整尺寸等參數，確認無誤，點擊Accept。點擊Apply結束，如圖所示：

FEM->Element and Mesh->N-Line Mesher進行平面的網格劃分，如下圖所示，Type選擇4Lines Shell，然后分別選擇平面的四個邊，輸入對應的份數。

點擊Mesh It若不滿意可以點擊Reject拒絕，再從新調整尺寸等參數，確認無誤，點擊Accept。最后點擊Done結束。

此時的網格和幾何模型重合，為了讓顯示效果更好，在圖形視口（Graphics Viewport）右上側角關閉幾何模型，如圖所示

1.1.3 截面和材料

FEM->Model and Part->Keyword Manager打開Keyword Manager窗口，Section->Shell，雙擊或者選擇后點擊Edit按鈕，打開Keyword Input Form，TITLE文本框輸入shell section，厚度T1鍵入0.01回車，軟件自動生成相同的T2~T4，點擊Accept，右側列表顯示生成的section，點擊Done關閉Keyword Input Form。如圖所示

在Keyword Manager中選擇Section->Solid，雙擊或者選擇后點擊Edit按鈕，打開Keyword Input Form，TITLE文本框輸入Solid Section點擊Accept，右側列表顯示生成的section，點擊Done關閉Keyword Input Form。如圖所示

在Keyword Manager中選擇Mat->001-ELASTIC，雙擊或者選擇后點擊Edit按鈕，打開Keyword Input Form，點擊NewID按鈕，TITLE文本框輸入Steel，密度RO鍵入7850，彈性模量E鍵入2.06e11，泊松比PR鍵入0.3，點擊Accept，右側列表顯示生成的section，點擊Done關閉Keyword Input Form。如圖所示在Keyword Manager中點擊Done關閉窗口。

在Keyword Manager中點擊Done關閉Keyword Manager。

1.1.4 將截面和材料賦予網格

FEM->Model and Part->Part Data打開Part Data窗口，在上方選擇Assign，第一步制定H 1 Solid1的Section ID和MID分別為2和1，點擊Apply，如下圖所示：

第二步，點擊S 2 LSHELL2，Section ID和MID分別為和1，點擊Apply，如圖上所示。

在Part Data中點擊Done，關閉Part Data。

1.1.5 施加豎直力

FEM-> Model and Part ->Keyword Manager打開關鍵字管理器，選擇DEFINE->CURVE，打開Keyword Input Form對話框，點擊NewID按鈕，在TITLE文本框輸入force，點擊Inset，輸入第一點(0, 0)，我們打算計算5s，因此第二點橫坐標為5，豎向力輸入單位力1，在此點擊Inset，完成曲線繪制。

FEM->Model and Part->Create Entity打開Entity Creation對話框，選擇Load->Node，點擊point單選按鈕，DOF采用默認的X_dir，LCID選擇或輸入1，SF輸入1000，選擇節點，點擊Apply，如圖所示：

施加約束

點擊Boundary->Spc，選擇Cre單選框創建約束。如圖所示：

點擊Done，關閉Entity Creation。

1.1.7 計算時長

打開Keyword Manager，選擇CONTROL->TERMINATION，ENDTIM鍵入1，計算時間為1s，點擊Accept，點擊Done關閉Keyword Input Form。

1.1.8 輸出頻率

在Keyword Manager中選擇DATABASE->ASCII_option，雙擊或者選擇后點擊Edit按鈕，打開Keyword Input Form，在Default DT鍵入0.1回車，所有的時間間隔均為0.1s，點擊Accept，最下側的文本框顯示“*DATABASE_ASCII_OPTION keyword cards updated”，點擊Done關閉Keyword Input Form。如圖所示：

在Keyword Manager中選擇DATABASE->BINARY_D3PLOT，雙擊或者選擇后點擊Edit按鈕，打開Keyword Input Form，在DT鍵入0.01回車，輸出幀間隔均為0.01s，點擊Accept，右側列表欄出現生成數據，點擊Done關閉Keyword Input Form。如圖所示：

如圖所示在Keyword Manager中點擊Done關閉窗口。

1.1.9 保存項目

File->Save Project，在Save Keyword中鍵入File Name，點擊Save，如圖所示。

1.1.10 保存K文件

File->Save Keyword，在Save Keyword中鍵入File Name，點擊Save，如圖所示。

1.2 合并節點法

合并節點法只傳遞平動自由度，不傳遞轉動自由度

FEM->Element Tools->Duplicate Nodes，點擊Show Dup Nodes，如圖所示，重合節點用黃色方框顯示

點擊Merge Dup Nodes進行合并。

進行計算，可以用LS-RUN，也可以用ANSYS Mechanical APDL Product Launcher，計算結果如下圖所示，從圖中明顯看出殼單元并未被拉開。

修改受力方向為Z向，變形很大，并且板沒有變彎，說明沒有傳遞彎矩。

1.3 約束法

FEM->Model and Part->Create Entity打開Entity Creation窗口選擇Set Data->*SET_NODE，點擊右側的Cre單選按鈕，即新建一個節點組，在Title中輸入名稱為by hand，如下左圖所示：

分別選擇同一位置殼單元和實體單元上的點，選擇殼單元時在左上角關閉實體單元，選擇實體單元時打開殼單元，關閉殼單元，最后恢復選擇。

在Entity Creation中點擊Apply，在下側列表中出現新生成的節點對。依次生成七個節點對，如果想看批量處理法，請查看視頻。最后點擊Done關閉Entity Creation。

在Keyword Manager中選擇Constrained->NODE_SET，雙擊或者選擇后點擊Edit按鈕，打開Keyword Input Form，輸入剛剛創建的NSID，每一對節點分別進行三個平動方向的約束，即DOF分別選擇1、2、3，也就是x、y、z方向。

依次生成七個約束，如果想看批量處理法，請查看視頻。最后點擊Done關閉Entity Creation。

1.4 接觸法

接觸法支持節點不重合，因此我們現將節點向上移動0.25，點擊FEM->Element Tools->Transform，在Sel. Nodes中選擇ByPart，然后選擇shell單元，選擇Translate單選按鈕，Direction選擇Z，Distance輸入0.25，點擊Tans+按鈕。還可以進行旋轉，調整后如圖所示：

點擊Accept，確認無誤后點擊Done。

FEM->Model and Part->Keyword Manager

點擊All單選按鈕

CONTACT->CONTACT-TIED_SHELL_EDGE_TO_SOLID

在Keyword Input Form窗口，先選擇SSTYP和MSTYP為3，然后選擇SSID為1，MSID為2，如下圖所示：

點擊Accept接受，然后點擊Done關閉。

1.5 總結

對于殼體與實體的連接的數量較少且網格劃分規整時，使用合并節點法好約束法，其中合并節點法只能約束平動位移不能約束轉動位移。當連接數量較多或連接部位網格劃分不規整時，采用接觸的裝配則更簡便快捷。