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需要注意的關鍵點。今天我們開始討論Solid-Shell單元的連接。

我們知道，Shell單元有6個自由度，而Solid單元只有3個自由度，因此不能通過簡單的共節點方法實現Solid-Shell單元的連接。下面我們通過一個實例，研究下在ANSYS中是怎么實現Solid-Shell單元連接的。

對簡單的薄壁結構進行分析時，我們通常將其簡化成殼模型，可極大降低計算量，但在板上開一個階梯孔（如下圖），就沒法將其簡化成殼模型了，但如果主要研究階梯孔附近的應力情況，且不能有太大的計算量，此時我們可以采用Solid-Shell模型實現。

為了對比計算結果，筆者采用兩種方法對該結構進行分析：

方法一：對整個結構使用 Solid單元進行分析；

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行抽中面處理。

Step2

建立分析項目

打開Workbench，選擇Static Structural模塊，并傳入上一步建立的幾何模型。本次分析使用默認的結構鋼材料。雙擊Model進入Mechanical。

Step3

建立接觸★

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

Step4

網格劃分

1）總體網格尺寸設置為2mm；其余保持默認。

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

3）為了改善孔周圍的網格質量，我們為階梯孔面設置一個映射網格劃分。

劃分好的網格如下圖所示：

Step5

載荷和約束設置

1）載荷：500N，Y軸負方向；

2）約束： 固定約束。

Step6

求解

求解設置全部保持默認。

Step7

后處理

1）變形：2.9266mm；整個模型變形連續性較好。

2）總體應力：Shell單元和Solid單元連接處存在應力突變，應力連續性較差；

3）階梯孔周圍最大應力：172.85Mpa。

Step8

實體模型計算結果

筆者對Solid單元建立的模型也進行了計算，與 S olid-Shell單元建立的模型采用了相同的網格尺寸、網格劃分方法和邊界條件，計算結果如下：

1）變形：2.9266mm；整個模型變形連續性較好。

2）總體應力：應力連續性較好；

3）階梯孔周圍最大應力：172.69Mpa。

通過對比兩次計算的結果發現：

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

2）在Solid單元和Shell單元的連接處，會發生應力不連續現象。我們不研究該處的應力值，所以該處產生的應力奇異可以忽略。

3）使用Solid單元和Shell單元建模和全部使用Solid單元進行建模相比，節點數量大大減少，顯著降低了計算量。

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

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