ANSYS各類型單元連接專題講解(三)之梁與殼體鉸接
前面一篇文章主要講解了桿單元與各類單元連接的基本情況,在很多時候,我們使用梁單元的頻率要遠遠大于桿單元,因而如何處理好梁單元與各類單元的連接是做好仿真模擬的關鍵。
梁單元與桿單元不同之處在于節點除了有平動自由度之外,還附加有轉動自由度。針對2D梁單元,節點具有Ux、Uy以及Rotz三個自由度;針對3D梁單元,節點具有Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty、Rotz以及WaRp(僅Beam18x系列單元)。
板殼單元實際上具有五個自由度,分別為Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty,但很多時候引入了第六個面內轉動Rotz,但值得注意的是該自由度的含義與梁單元的Rotz含義并不相同。
2D實體單元節點自由度僅有Ux、Uy,3D實體單元節點自由度包含Ux、Uy、Uz。
從上面可見,不同單元類型其節點自由度的數目以及含義不一樣,因而在處理單元連接時,需根據實際情況分不同種類來確定其連接方法。但就梁單元而言,與各單元類型的連接可分為如下情況:
1)梁單元與殼、實體單元鉸接;
2)2D梁單元與2D實體單元剛接;
3)3D梁單元與殼單元剛接;
4)3D梁單元與3D實體單元剛接;
本篇介紹梁單元與殼、體單元的鉸接問題。
從上面介紹的三種單元節點自由度類型可見,梁單元與體單元節點的平動自由度物理意義相同,因此如果需實現梁單元與實體單元的鉸接,兩者共用節點即可;也可兩者無共用節點,但具有重合節點時,直接耦合節點的平動自由度。
然殼單元與梁單元的節點自由度除了Rotz有所不同外,其余5個自由度皆具有相同的物理意義,因而當梁單元與殼單元具有公共節點時,可認為是除了Rotz外的一種剛性連接,例如最常見的建筑結構梁板體系的模擬。故如果要實現梁單元與殼單元的鉸接,必須通過節點耦合方法,具體方法為在同一位置處建立兩種單元各自的節點,然后耦合平動自由度。
簡單小案例:
如下所示結構模型,左端平板采用殼單元模擬,右邊部分采用同截面的梁單元模擬,材料選用混凝土C30,平板尺寸為1000x1000,厚度200,梁單元截面尺寸為1000x200,長度5000,平板與梁相交部分采用鉸接處理,兩端固結,平板上承受 1MPa的均布荷載。

打開后的單元形狀如下:

命令流如下:
finish
/clear
/prep7
et,1,shell181
et,2,beam188
keyopt,2,3,3 !形函數設置
mp,ex,1,3.0e4
mp,prxy,1,0.2
mp,dens,1,2500e-12
sectype,1,shell
secdata,200
sectype,2,beam,rect
secdata,1000,200
blc4,,,1000,1000
wpoffs,,500
wprota,,90
asbw,all
!=============
!在相交部位同位置處創建一個關鍵點,以用于后續耦合
k,10,5000,500
k,11,1000,500
l,11,10
!============
esize,50
lsel,s,,,2
latt,1,,2,,,,2
lmesh,all
allsel,all
amesh,all
!=================
!相交部位耦合,其中1號節點是梁單元節點,103號節點是殼單元節點
cp,next,ux,1,103
cp,next,uy,1,103
cp,next,uz,1,103


!============
/solu
lsel,s,loc,x,0
dl,all,all,all
ksel,s,loc,x,5000
dk,all,all,all
sfa,all,1,pres,-1
allsel,all
solve
變形云圖為:

為檢驗連接效果,梁單元彎矩圖如下:

由彎矩圖可見,在連接處彎矩為0,說明連接方式為鉸接。
為更好對比結果,現在殼單元與梁單元處共用節點,結果云圖如下:


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