ANSYS結構單元簡介
筆者接觸ANSYS軟件可能有八年了,慚愧水平還是很一般。當然ANSYS軟件的內容實在是太豐富了,沒有人可以全面而熟練的掌握它。拿筆者來說,筆者只用ANSYS做結構分析,即便如此,筆者也未能掌握所有關于結構分析的知識。筆者感嘆,以下的討論,真是太狹隘了。
關于單元
結構單元:桿單元,梁單元,管單元,2D實體單元,3D實體單元,殼單元,彈簧單元,質量單元,接觸單元,表面效應單元,MPC184單元,等。
桿單元:LINK1(2D桿單元),LINK8(3D桿單元),LINK180(3D桿單元)。
對筆者來說,
1. 2D情況下,筆者選擇LINK1單元,該單元的實常數(R)有截面面積、初應變,一般只用到截面面積;材料參數有彈性模量、密度、泊松比(可無)、阻尼、等,一般只用到彈性模量和密度(考慮自重時)。
2. 3D情況下,筆者選擇LINK180單元,該單元的實常數(R)有截面面積、附加質量,一般只用到截面面積 ;材料參數有彈性模量、密度、泊松比(可無)、阻尼、等,一般只用到彈性模量和密度(考慮自重時)。對應于LINK1的初應變,LINK180可以設置初應力(ISTRESS)來等效。對于LINK180,還有一點需要注意,默認情況下,LINK180單元為體積不變單元,即單元拉長時,截面面積相應會減小;也可以設置為剛截面單元,即截面面積不變。
3. LINK8一般筆者是不用的,在ANSYS的HELP文檔中,已經沒有LINK1和LINK8的單元介紹,但它們仍然是可用的,只是ANSYS會建議你用LINK180來替代它們而已。
梁單元:BEAM3(2D梁單元),BEAM4(3D梁單元),BEAM188/189(3D梁單元)。
對筆者來說,
1. 2D情況下,筆者選擇BEAM3單元,該單元的實常數(R)有面積 、慣性矩、截面高度、等;材料參數有彈性模量、密度、泊松比、阻尼、等,一般只用到彈性模量和密度(考慮自重時)。BEAM3單元是可用考慮剪切變形的,通過實常數來設置,但筆者用BEAM3單元時,一般不考慮剪切變形。
2. 3D情況下,筆者選擇BEAM188/189單元,不設實常數,通過截面類型(SECTYPE)以及截面參數(SECDATA)來定義截面特性;材料參數有彈性模量、密度、泊松比、阻尼、等,一般只用到彈性模量、泊松比以及密度(考慮自重時)。BEAM188/189單元是基于Timoshenko梁理論的,即一階剪切梁,考慮剪切變形的影響,所謂一階是指截面的切應力為均布,學過材料力學都知道,其實截面的切應力不是均布的,這就會引起截面的翹曲。雖然BEAM188/189單元節點的默認自由度為三個沿節點坐標系的平移和三個繞節點坐標系的轉動,但也可以通過單元關鍵選項來設置翹曲自由度(WARP),筆者一般不考慮翹曲。
3. BEAM4一般筆者是不用的,在ANSYS的HELP文檔中,已經沒有BEM3和BEAM4的單元介紹,但它們仍然是可用的,只是ANSYS會建議你用BEAM188/189來替代它們而已。
殼單元:SHELL63,SHELL181
對筆者來說,
1. 遇到板殼問題,會使用SHELL181單元,不設實常數,通過截面類型(SECTYPE)以及截面參數(SECDATA)來定義截面特性;材料參數有彈性模量、密度、泊松比、阻尼、等,一般只用到彈性模量、泊松比以及密度(考慮自重時)。SHELL181單元是基于Mindlin-Reissner板殼理論的,考慮了剪切變形的影響,筆者建議聯系有關梁的理論來理解這個問題。
2. 一般不用SHELL63,SHELL63基于Kirchhoff-Love板殼理論的,不考慮剪切變形的影響,筆者建議聯系有關梁的理論來理解這個問題。
彈簧單元:COMBIN14。
1. COMBIN14 的實常數(R)有剛度系數、阻尼系數、等。
2. COMBIN14 的單元關鍵選項 KEYOPT2 可取1-6,分別表示 UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ 的自由度;單元關鍵選項 KEYOPT3 可取0,表示具有UX、UY、UZ 三個自由度;可取1,表示 ROTX、ROTY、ROTZ 三個自由度;可取2,表示具有UX、UY 兩個自由度。
質量單元:MASS21。
1. 當 MASS21 的單元關鍵選項 KEYOPT3 取 0 時,MASS21具有 UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ 六個自由度,實常數(R)可分別依次設置三個方向的質量和三個軸的轉動慣量;取2時,MASS21 具有 UX、UY、UZ 3個自由度,實常數(R)可設置一個質量(三個方向一樣);取3時,MASS21 具有 UX、UY、ROTZ 三個自由度,實常數(R)可依次設置一個質量(兩個方向一樣)和 Z 軸的轉動慣量;取4時,MASS21 具有 UX、UY 兩個自由度,實常數(R)可設置一個質量(兩個方向一樣)。
多點約束單元:MPC184單元
1. 當 MPC184 單元的 KEYOPT1 取0時,為剛性桿;當 MPC184 單元的 KEYOPT1 取1時,為剛性梁。
Workbench界面操作
ANSYS 的界面有兩種:經典界面(但筆者看不出來哪里算經典了)、Workbench 界面。ANSYS 的操作方式大致可分為三種:APDL 命令方式、GUI 界面方式、Workbench 界面。在經典界面中,操作習慣沒有明顯的偏向土木行業分析還是機械行業分析,但在Workbench 界面,就明顯偏向了機械行業分析。其實,經典界面和Workbench 界面的數據是可以互通共享的。
1. Workbench 中的dat文件包含了有限元模型和邊界條件(約束和荷載),可讀入經典界面;rst文件包含了求解結果,可讀入經典界面。
2. 一般情況下,無需將經典界面中的數據讀入Workbench中。
3. 有人建議用Workbench的模塊Finite Element Modeler 來生成 inp 文件,再用經典界面讀入,筆者認為完全沒有必要。
4. 有人建議用經典界面的Archive來生成cdb文件,再用Finite Element Modeler讀入,筆者也認為完全沒有必要。
5. 因為筆者是機械行業,所以現在已經很少用經典界面了,但Workbench界面目前確實有些不完善的地方,所以筆者建議在Workbench中插入APDL來解決這種問題。
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