ANSYS中桿單元和殼單元的單元耦合問題

向陽

2006年7月6日 00:31

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在比較復雜的結構的有限元分析中，不同的結構部件通常使用不同類型的單元來模擬。
通常情況下，不同類型的單元的各個節點的自由度數目是不同的，不同類型單元的連接節點處的自由度的耦合問題，是一個比較令人頭疼的問題。
在ANSYS中通常可以用耦合命令CP來耦合不同類型單元在連接節點處的自由度(DOF)。
也可以用CE命令來認為添加自由度之間的約束方程來達到耦合的目的。

下面是一個簡單的算例，使用了CE命令來耦合連接節點處的自由度。

模型是航天器的機翼的一個Section的某一個隔框。上下表皮是薄殼結構，用Shell63單元來模擬，在上下表皮之間有起支撐作用的桿件，用link8單元來模擬。

建模的時候，link8單元和shell63單元在連接有各自獨立的節點。即：link8單元和shell63單元的節點在連接處是重合的，但是，節點編號是各自獨立的。

link8單元在每個節點有 ux,uy,uz3個平動自由度；
shell63在每個節點有ux,uy,uz這3個平動自由度和rotx,roty,rotz這3個轉個自由，共6個自由度。

在耦合節點處，兩個耦合節點的ux,uy,uz自由度應該是相等的。
這個等式可以用CE命令來描述。
完整的命令流如下：

finish
/clear,start

/prep7
!定義第一種材料屬性；
mp,ex,1,30e6
mp,prxy,1,0.3

!定義shell63單元和實常數；
et,1,shell63
r,1,1e-3

!建立幾何模型；
rectng,31.8,33.2,0,0.3556
agen,2,1,1,1,0,0,1

a,1,4,8,5
a,6,7,3,2

KL,7,0.5, ,
KL,3,0.5, ,

在關鍵點處生成節點；
nkpt,100,4 !與編號為117的節點耦合
nkpt,101,9 !與編號為169的節點耦合
nkpt,102,10 !與編號為120的節點耦合
nkpt,103,7 !與編號為160的節點耦合

mat,1
type,1
real,1

lesize,1,,,6
lesize,3,,,6
lesize,5,,,6
lesize,7,,,6

lesize,9,,,6
lesize,10,,,6
lesize,11,,,6
lesize,12,,,6

lesize,2,,,6
lesize,4,,,6
lesize,6,,,6
lesize,8,,,6

MSHAPE, 0, 2D
MSHKEY, 1
allsel
amesh,all

!定義第二種材料屬性；
mp,ex,2,30e4
mp,prxy,2,0.3
!定義link8單元和實常數；
et,2,link8
r,2,28.26e-6

mat,2
type,2
real,2

e,101,102
e,100,101
e,102,103

!CE, NEQN, CONST, NODE1, Lab1, C1, NODE2, Lab2, C2, NODE3, !Lab3, C3

ce,1,0,100,ux,1,117,ux,-1 !節點100的ux＝節點117的ux;
ce,2,0,100,uy,1,117,uy,-1 !節點100的uy＝節點117的uy;
ce,3,0,100,uz,1,117,uz,-1 !節點100的uz＝節點117的uz;

ce,4,0,101,ux,1,169,ux,-1 !同上；
ce,5,0,101,uy,1,169,uy,-1
ce,6,0,101,uz,1,169,uz,-1

ce,7,0,102,ux,1,120,ux,-1
ce,8,0,102,uy,1,120,uy,-1
ce,9,0,102,uz,1,120,uz,-1

ce,10,0,103,ux,1,160,ux,-1
ce,11,0,103,uy,1,160,uy,-1
ce,12,0,103,uz,1,160,uz,-1

!施加約束，底面約束所有的自由度；
DA,1,all
!施加分布載荷；
SFA,2,1,PRES,-1e4
finish

/solu
solve !求解；
finish
/post1

PLNSOL, S,X, 0,1.0
finish