隨著科技的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)分析在工程領(lǐng)域中扮演著越來(lái)越重要的角色。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，選擇合適的分析單元類(lèi)型是關(guān)鍵的一步。Ansys作為結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的頂級(jí)軟件，提供了豐富的分析單元類(lèi)型，以滿(mǎn)足不同工程需求。本文將全面介紹Ansys中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)分析單元類(lèi)型及其特點(diǎn)，幫助更好地了解和選擇合適的分析單元類(lèi)型。

一、Ansys結(jié)構(gòu)分析常見(jiàn)單元類(lèi)型

1、BEAM梁?jiǎn)卧?/h3>

梁?jiǎn)卧怯糜诼菟?桿)，薄壁管件，C 形截面構(gòu)件，角鋼或者狹長(zhǎng)薄膜構(gòu)件(只有膜應(yīng) 力和彎應(yīng)力的情況)等模型。

①單元Beam3：

Beam3單元是一個(gè)單軸單元，可以承受拉、壓、彎的作用。該單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即沿x、y方向的線(xiàn)位移和繞Z軸的角位移。

②單元Beam4：

Beam4是一種單軸受力單元，可以用來(lái)承受拉力、壓力、彎曲和扭曲。該單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度：x、y、線(xiàn)位移和繞x三個(gè)方向z，y,z三軸的角位移。可用于計(jì)算應(yīng)力硬化和大變形的問(wèn)題。考慮大變形(有限旋轉(zhuǎn))的分析，采用相容切線(xiàn)剛度矩陣的選項(xiàng)。

③單元BEAM44：

BEAM44是一種單軸梁，具有承受拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)和彎曲的能力。每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度：x、y、z方向的平移和x、y、z軸向旋轉(zhuǎn)。該單元允許不對(duì)稱(chēng)的端面結(jié)構(gòu)，并允許端面節(jié)點(diǎn)偏離截面的中心位置。如不需要這些特性，可選擇均質(zhì)對(duì)稱(chēng)的BEAM4單元。同時(shí)也可選擇相同類(lèi)型的2D單元(BEAM54)。BEAM188和BEAM189用于替代非線(xiàn)性材料。

2、LINK桿單元

①LINK1單元可用于不同的工程應(yīng)用。根據(jù)具體應(yīng)用，該單元可以模擬桁架、鏈桿和彈簧。這種二維桿單元是一種可以承受單軸壓力的單元，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度只考慮X和Y的線(xiàn)位移。該單元不能承受彎矩，因?yàn)樗挥糜阢q接結(jié)構(gòu)。

②LINK8單元是一種可用于各種工程實(shí)際的桿元素。該元素可用于桁架、垂直電纜、桿件、彈簧等。這種三維桿元素只能承受單軸的壓力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度:x,y,以及Z方向的位移。在銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)中，元素不能彎曲。塑性，潛變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形(plasticity,creep,swelling,stressstiffening,andlargedeflection)所有這些都是允許的。這個(gè)元素在A(yíng)NSYSTheoryReference的14.8中有更詳細(xì)的介紹。只能承受拉壓的LINK10可供參考。

3、PIPE管單元

①PIPE16單元

pipe16是一種單軸單元，具有拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲的性能。該單元在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)X，Y,Z方向的平移和繞結(jié)點(diǎn)X，Y,旋轉(zhuǎn)Z軸。該單元基于三維梁?jiǎn)卧?BEAM4)，包括簡(jiǎn)化基于對(duì)稱(chēng)性和標(biāo)準(zhǔn)管的幾何尺寸。

②PIPE17單元

PIPE17是一個(gè)單元，由三個(gè)單軸彈性管（PIPE16）按T型組成，包括壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲能力。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)X、Y、Z向平移和繞X方向，Y、Z軸的轉(zhuǎn)角。

T型接頭的彈性、應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)、力輸出等都有一些選項(xiàng)。這個(gè)單元可以解決絕緣問(wèn)題，包括流體和腐蝕余度。

③PIPE20單元

管道20單元是一種單軸單元，具有拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)性能。每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)x，y,Z方向位移和繞節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)x，y,z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

該單元具有塑性、蠕變和膨脹特性。如果不需要使用這些功能，可以使用彈性管單元來(lái)管理16。您可以選擇打印單元坐標(biāo)系中單元的力和瞬態(tài)功能。

4、PLANE平面單元

①PLANE2單元

PLANE2是一個(gè)與8節(jié)點(diǎn)PLANE82單元兼容的6節(jié)點(diǎn)三角形單元。該單元具有二次位移函數(shù)，能更好地適應(yīng)不規(guī)則的模型網(wǎng)格(例如由不同的CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的模型)。

該單元有六個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度，即x和y方向的平移，可用作平面單元(平面應(yīng)力或平面應(yīng)變)或軸對(duì)稱(chēng)單元。該單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形和大應(yīng)變能力。

②PLANE13單元

PLANE13具有2維磁、熱、電、壓電和結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析能力，并且可以在各個(gè)領(lǐng)域之間實(shí)現(xiàn)有限的耦合。這個(gè)單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有四個(gè)自由度。該單元具有非線(xiàn)性磁性能力，用于建模B-H曲線(xiàn)或永磁體退磁曲線(xiàn)。PLANE13單元具有較大的變形和應(yīng)力剛度。PLANE13單元在純結(jié)構(gòu)分析中也具有較大的應(yīng)變能力。

③PLANE25單元

PLANE25用于建模承受非軸對(duì)稱(chēng)載荷的2維軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。這種載荷的例子包括彎曲、剪切或扭轉(zhuǎn)。這個(gè)單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度。–節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向平移。對(duì)于未旋轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，其方向分別對(duì)應(yīng)徑向、軸向和切線(xiàn)方向(圓周方向)。該單元是PLANE42的版本，由2維軸對(duì)稱(chēng)實(shí)體單元推廣到非軸對(duì)稱(chēng)載荷。

5、SHELL殼單元

①SHEL41單元

SHEL41是一個(gè)三維單元，平面內(nèi)有膜強(qiáng)度，但平面外沒(méi)有彎曲強(qiáng)度。這是獨(dú)特的外殼結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗膯卧獜澢谴我摹Ｃ總€(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)x，y,z軸向的運(yùn)動(dòng)。

該單元具有變厚、應(yīng)變強(qiáng)度、大偏差和材料選擇。參考ANSYS理論第14.41節(jié)，您可以獲得更多關(guān)于該單元的細(xì)節(jié)。另一個(gè)只有薄膜的單元可以被視為SHELL63。

②SHEL43單元

SHEL43適用于模擬線(xiàn)性、彎曲和適當(dāng)厚度的殼體結(jié)構(gòu)。單元中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有六個(gè)自由度：沿xx的自由度、y和z方向的平動(dòng)自由度以及繞x的平動(dòng)自由度、y和z軸的旋轉(zhuǎn)自由度。平面兩個(gè)方向的形狀必須是線(xiàn)性的。對(duì)于平面外的運(yùn)動(dòng)，采用張量組的混合內(nèi)插法（amixedinterpolationoftensorialcomponents）。

該單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等特點(diǎn)。ANSYS是該單元更詳細(xì)的性能，Inc.TheoryReference中的SHELL43。如果是薄殼或塑性和蠕變，不需要考慮彈性四邊性殼單元(SHELL63)。如果遇到收斂困難或需要考慮大應(yīng)變，可以選擇SHELL181單元。當(dāng)然，對(duì)于非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)分析，我們建議選擇SHELL181單元。

③SHEL93單元

SHEL93單元特別適合曲殼模型。該單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系XX、Y、沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)XZ方向的平動(dòng)和平動(dòng)、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)。變形在兩個(gè)方向上都是二次的。

該單元具有塑性、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變的能力。

6、COMBIN彈簧-阻尼單元

彈簧-阻尼單元，可以用來(lái)模擬彈簧和阻尼器

①COMBIN14 單元：

COMBIN14具有1維、2維或3維應(yīng)用中的軸向或扭轉(zhuǎn)性能。軸向彈簧阻尼器選項(xiàng)為一維拉伸或壓縮單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：x,y,z的軸向運(yùn)動(dòng)。它不能考慮彎曲或扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器選項(xiàng)為純扭轉(zhuǎn)單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：x,y,z的旋轉(zhuǎn)。它不能考慮彎曲或軸向力。

②COMBIN37單元：

COMBIN37是一個(gè)單向單元，在分析過(guò)程中具有打開(kāi)和關(guān)閉的性能。該單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)自由度，可以是沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方向的平移，繞節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)，壓力或溫度。COMBIN7描述了具有更多性能的控制單元(6自由度和大變形)。COMBIN14、COMBIN39、andCOMBIN40等單向單元(無(wú)距離大的控制性能)。該單元有許多應(yīng)用，如控制熱流(自動(dòng)調(diào)溫器)作為溫度功能的機(jī)械控制功能，以及減速器的阻尼功能。

③COMBIN39單元：

COMBIN39 是一個(gè)具有非線(xiàn)性功能的單向單元，可對(duì)此單元輸入廣義的力－變形曲線(xiàn)。該單元可用于任何分析之中。在一維、二維和三維的應(yīng)用中，本單元都有軸向或扭轉(zhuǎn)功能。軸向選項(xiàng)（longitudinal） 代表軸向拉壓?jiǎn)卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)具有3  個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X，Y，Z 的平動(dòng)，不考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)選項(xiàng)（torsional） 代表純扭單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3 個(gè)自由度：繞節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)軸X，Y， Z 的轉(zhuǎn)動(dòng)，不考慮彎曲和軸向荷載。

此單元僅當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)或者三個(gè)自由度的時(shí)候，才可以具有大位移的功能。

二、如何選擇合適的單元類(lèi)型？

ANSYS通常會(huì)引起許多復(fù)雜的單元類(lèi)型的注意，如何選擇正確的單元類(lèi)型也是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。

1、明確不同單元類(lèi)型的特點(diǎn)和適用范圍。根據(jù)Ansys的官方文件，Ansys提供了許多單元類(lèi)型，如梁?jiǎn)卧卧腕w單元。梁?jiǎn)卧m用于分析橫截面小、長(zhǎng)度大的部件，如鋼梁和桁架。殼單元適用于分析壓力容器和飛機(jī)外殼等宏觀(guān)情況。體單元適用于分析三維形狀的部件，如車(chē)身和機(jī)械部件。

當(dāng)建模開(kāi)始時(shí)，用戶(hù)會(huì)做出許多決定（有意或無(wú)意）來(lái)確定如何模擬物理系統(tǒng)的數(shù)值；分析的目標(biāo)是什么？該模型是物理系統(tǒng)的全部或部分？該模型將包含多少細(xì)節(jié)？選擇什么樣的單元？有限元網(wǎng)格的密度是多少？簡(jiǎn)而言之，您將平衡要回答的問(wèn)題的計(jì)算成本（CPU時(shí)間等）。以及結(jié)果的準(zhǔn)確性。你在計(jì)劃階段做出的這些決定通常會(huì)控制你分析的成功。

2、考慮不同單元類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)。梁?jiǎn)卧哂杏?jì)算速度快、計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)，但假設(shè)構(gòu)件為直線(xiàn)形狀，不適合彎曲或復(fù)雜形狀。殼單元可以更好地模擬薄壁結(jié)構(gòu)，但對(duì)于較厚的結(jié)構(gòu)，需要使用更復(fù)雜的殼單元類(lèi)型。身體單元可以準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的三維形狀，但計(jì)算量大，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高。

3、考慮結(jié)構(gòu)分析的目的和要求。如果只需要獲得整體應(yīng)力和變形分布，那么使用低級(jí)單元就可以滿(mǎn)足需求。如果需要更準(zhǔn)確的結(jié)果，如局部應(yīng)力集中分析或接觸問(wèn)題分析，則需要考慮使用高級(jí)單元。

4、選擇一些單元的方法

①桿單元（Link）VS梁?jiǎn)卧?Beam)

這很容易理解。桿單元只能承受沿桿方向的拉力或壓力，桿單元不能承受彎矩，這是桿單元的基本特征。梁?jiǎn)卧饶艹惺芾Α毫Γ帜艹惺軓澗亍Ｈ绻阆朐诮Y(jié)構(gòu)中承受彎矩，你不能選擇桿單元。對(duì)于梁?jiǎn)卧Ｓ玫挠腥N:beam3、beam4和beam188。它們的區(qū)別在于:

1)beam3是一種2D梁?jiǎn)卧荒芙鉀Q2D問(wèn)題。

2)beam4是一種3D梁?jiǎn)卧梢越鉀Q3D空間梁的問(wèn)題。

3)beam188是一種3D梁?jiǎn)卧筛鶕?jù)需要定制梁的截面形狀。

②實(shí)體單元VS殼單元

對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)，最好選擇shell單元。shell單元可以減少計(jì)算量。如果非要使用實(shí)體單元，也可以，但計(jì)算量會(huì)大大增加。而且，如果選擇實(shí)體單元，當(dāng)薄壁結(jié)構(gòu)承受彎矩時(shí)，如果厚度方向的單元層數(shù)過(guò)少，有時(shí)計(jì)算結(jié)果誤差較大，則不如shell單元準(zhǔn)確。

對(duì)于工程師和設(shè)計(jì)師而言，正確選擇合適的單元類(lèi)型進(jìn)行Ansys結(jié)構(gòu)分析是非常關(guān)鍵的。只有根據(jù)實(shí)際情況和需求，選擇合適的單元類(lèi)型，才能獲得準(zhǔn)確可靠的分析結(jié)果。

總結(jié)起來(lái)，Ansys提供了多種不同的單元類(lèi)型，每種單元類(lèi)型都有其特點(diǎn)和適用范圍。我們應(yīng)該根據(jù)具體的工程問(wèn)題和分析需求，選擇合適的單元類(lèi)型，并充分考慮其優(yōu)缺點(diǎn)。只有在正確選擇單元類(lèi)型的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的Ansys結(jié)構(gòu)分析。

三、ANSYS結(jié)構(gòu)分析好課分享

1、ANSYS必修課_workbench基礎(chǔ)操作應(yīng)用（8小時(shí)54分鐘 | 共59章節(jié)）

Ansys workbench基礎(chǔ)教程，很適合新手上手。

2、workbench Design Modeler 模塊幾何建模DM（2小時(shí)14分鐘 | 共7章節(jié)）

這個(gè)課程是對(duì)workbench Design Modeler模塊的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)，講解如何在workbench里建模，內(nèi)容包括坐標(biāo)系及草繪、幾何體生成及倒角、幾何體操作、纖體及面體建模、幾何處理、自動(dòng)修復(fù)及測(cè)量，如果是workbench建模新手，一定要看看這個(gè)視頻。

四、Ansys經(jīng)典案例分享

1、基于ansys workbench的齒輪傳動(dòng)分析

案例中包括了齒輪傳動(dòng)接觸詳細(xì)設(shè)置，邊界條件詳細(xì)設(shè)置及接觸求解結(jié)果詳細(xì)顯示

2、ANSYS Workbench 中鋼管的壓縮變形分析

本實(shí)例主要講解了在A(yíng)NSYS Workbench中如何采用非線(xiàn)性技術(shù)計(jì)算壓縮變形問(wèn)題。本實(shí)例以一根空心鋼管為例施加一平板來(lái)壓扁鋼管，獲取相應(yīng)的壓縮變形量和應(yīng)力分布。

3、ANSYS Beam188提取彎矩為例介紹ANSYS定義單元表提取數(shù)據(jù) (解決彎矩圖鋸齒狀）

 在A(yíng)NSYS中有些數(shù)據(jù)無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)，需要通過(guò)定義單元表完成單元的結(jié)果的訪(fǎng)問(wèn)。本案例就以Beam188單元提取彎矩為例介紹ANSYS定義單元表提取數(shù)據(jù)的詳細(xì)過(guò)程。

五、很好用的Ansys免費(fèi)學(xué)習(xí)文檔分享

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