mass21
關注創建者：Leopard 創建時間：2019-11-29
mass21的視頻教程
基于ANSYS的實體單元扭矩施加方法(用若干對力代替力偶)
由于ANSYS中不能直接對實體單元施加力矩，傳統方法采用若干對力偶來代替扭矩，該方法容易導致局部應力集中；改進的方法引入一些特殊單元如rbe3單元、mpc184單元、mass21單元等，通過引入這些特殊單元，能夠比較好的實現扭矩的施加，但是特殊單元的引入又改變了整體剛度矩陣。為了解決由于引入特殊單元而導致影響整體剛度矩陣的問題，有學者等提出采用接觸單元能夠很好的解決扭矩的施加問題。
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基于ANSYS的實體單元扭矩施加方法總結
由于ANSYS中不能直接對實體單元施加力矩，傳統方法采用若干對力偶來代替扭矩，該方法容易導致局部應力集中；改進的方法引入一些特殊單元如rbe3單元、mpc184單元、mass21單元等，通過引入這些特殊單元，能夠比較好的實現扭矩的施加，但是特殊單元的引入又改變了整體剛度矩陣。為了解決由于引入特殊單元而導致影響整體剛度矩陣的問題，有學者等提出采用接觸單元能夠很好的解決扭矩的施加問題。
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mass21的實例教程
詳細步驟如下：
從建立有限元模型后說起，進行了網格劃分以后的步驟：
1.添加mass21質量單元preprocessor－>element type->add/edit/delete
選擇add，添加mass21質量單元；
2.編輯mass21質量單元preprocessor－>real constant->add/edit/delete在對話框中填寫屬性，一般要很小的數值，如1e-5等
3.創建keypoints，preprocessor－>modeling->create->keypoints->in active Cs;此處注意，創建的keypoints的編號不能與模型單元的節點好重合，否則會引起原來的模型變形
4.選擇mass21單元對3中建立的keypoints進行網格劃分，建立起interface nodes；
5.建立剛性區域（在ADAMS作為和外界連接的不變形區域，必不可少的），preprocessor－>coupling/ceqn->rigid region,選擇interface nodes附近的區域，由于連接點的數目必須大于或等于2，所以剛性區域至少兩個
6.執行solution->ADAMS connection->Export to ADAMS命令，要選擇的節點為5中建立剛性區域的節點
注意：1.材料屬性是必不可少的
2.從ansys命令窗口輸入/units,<name>
其中<name>-----SI.CGS.BFT和BIN四種單位中的一種，如果不是其中一種，則輸入下面命令
/units，<L>,<M>,<T>,,,,<F>
L,M,T,F為用戶單位和國際單位制（SI）之間的轉換系數
如所用單位是mm
展開 質量單元屬于0維單元，ANSYS提供了質量單元mass21，該單元有6個自由度，3個平動自由度和3個繞軸的轉動自由度，可以分別設置不同方向上的不同質量和轉動慣量，但是一般3個平動方向上的質量是相同的，而3個轉動方向上的轉動慣量可能分別不同。轉動慣量可能對某些非轉動模態影響較小甚至可以忽略，但是對某些模態影響比較明顯，所以在較容易獲得部件轉動慣量的情況下盡量將部件簡化為質量單元時輸入每個方向上的轉動慣量參數。
質量單元的另一個功能是作為輔助單元使用，在利用hypermesh為ANSYS求解器建模前處理時，涉及到不同零部件單元之間的連接裝配，此時在一些連接單元的節點上需要安放一個單元才能在導入ANSYS計算時正常進行，下面舉實例說明。
上圖是一個板通過4個紫色的柱焊接在板的4個孔上，建模是通過CERIG單元將板與柱在焊接位置剛性連接，然后在4個柱的頂端安裝在其他部件上，這里將柱的頂端連接到同一個節點上（節點號為4417），然后在該節點上施加固定約束邊界條件。建好模型后導出CBD文件并讀入ANSYS進行模態求解，開始求解時報出如下圖錯誤。
報錯信息顯示為，約束方程1有未使用的節點4417。主要原因是hypermesh中的CERIG單元轉化到ANSYS是約束方程。在建立節點耦合時，比如將若干單元的節點自由度耦合到一個新建的節點時，這個新建節點比如依附于某個單元，否則求解時就會報出上述錯誤信息，這里的解決方案就是在節點4417處建立一個mass21單元，為了消除mass21單元對求解結果的影響需將mass21的質量屬性設置到非常低，特別是在模態求解時，質量會嚴重影響模態求解結果，效果如下圖。
展開 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.
展開 模型簡單取1個空心梁，采用實體建模，單元用95，內半徑10mm，外半徑15mm，長度200mm，矩10E6 Nmm，mass21單元實常數取零。(1)梁建模劃網(2)在梁軸線上生成1節點，偏離端面10mm。(3)選定mass21單元屬性，通過第二步的節點直接生成單元(E或EN)。(4)指定剛性化區域（CERIG），先選取mass21對應的節點，再選取梁端面節點。(5)加約束和載荷，梁另一端全約束，在mass21對應節點上加扭矩。(6)求解后驗證結果。(7)在mass21上加彎距，求解驗證結果。加扭矩，按公式計算得到最大剪應力235.179Mpa。應力分布連續，無應力集中現象。加彎距，按公式計算軸向應力為470.357Mpa，但在應力云圖上梁端部明顯出現端部效應，取中間截面軸向應力對比，結果基本吻合。所以加彎距時考慮結構加長以減小端部效應的影響。
關于實體單元施加彎矩的方法一、施加方法思路1：矩或扭矩說白了就是矩，所謂矩就是力和力臂的乘積。施加矩可以等效為施加力；思路2：直接施加彎矩或扭矩，此時需要引入一個具有旋轉自由度的節點；二、在ANSYS中實現的方法這里說說3個基本方法，當然可以使用這3個方法的組合方法，組合方法就是對3個基本方法的延伸，但原理仍不變。
展開 01 不考慮剛度元件的質量
假設初始力學模型為單自由度彈簧振子系統，各參數如下：
有限元建模，在ANSYS中使用mass21作為振子，使用combin14作為彈簧，模擬結果如下，1.5915Hz。
APDL腳本如下：
FINISH$/CLEAR$!UNIT s-m-kg-N
/FILNAME,spring$/TITLE,COMBIN14
/PREP7
ET,1,COMBIN14,,,2
ET,2,MASS21,,,4
R,1,100$R,2,1
N,1,0,0$N,2,0.1,0
TYPE,1$REAL,1$E,1,2
TYPE,2$REAL,2$E,2
!
D,1,ALL$D,2,UY
FINISH
!
/SOLU
ANTYPE,MODAL
MODOPT,LANB,1$MXPAND,1
SOLVE
!
/POST1
SET,LIST
02 剛度元件的質量為集中質量
現考慮彈簧的質量影響，但作為集中質量考慮。有限元建模，使用兩個剛度為200N/m的彈簧串聯，在兩彈簧之間插入質量。模擬結果如下。
質量是影響的，但即使當剛度元件和振子質量一樣時，系統頻率才降低12.6%，影響并不是很大。
APDL腳本如下：
FINISH$/CLEAR!UNIT s-m-kg-N
/FILNAME,spring$/TITLE,COMBIN14
/PREP7
ET,1,COMBIN14,,,2
ET,2,MASS21,,,4
R,1,200$R,2,1e-5 !!
R,3,1
N,1,0,0
N,2,0.1,0
N,3,0.2,0
TYPE,1$REAL,1
E,1,2$E,2,3
TYPE,2$REAL,2$E,2
TYPE,2$REAL,3$E,3
!
D,1,ALL$D,ALL,UY
FINISH
!
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圓盤和軸承建模
圓盤建模
使用MASS21單元將剛性圓盤建模為集中質量，如下圖所示。KEYOPT（3）=0用于定義具有旋轉慣性的三維質量。
以下是剛性盤建模的一般過程：
1. 在與剛性盤位置相對應的界面處創建接觸對（幾何體在此位置預先切片）。
2.
程序在剛體的外表面節點和在重心的引導點建立內部多點約束，引導點也與3-D點質量（用MASS21單元建模）共享轉動慣量。
MASS21的重心位置、質量和轉動慣量的位置由預計算質量選項（IRLF,-1）單獨計算一個載荷步估計。
在得到結果前，不選取底下的SOLID186網格。
彈性沖擊
金屬棒建模為具有線彈性材料性質的柔性體。
/mm，mass21質量屬性為0.01t，如下圖：
圖5 通過兩個節點建立combin14單元
圖6 打開KeyOpt3選擇3D軸向彈簧阻尼
圖7 設置彈簧剛度為100，不設置阻尼
圖8 在右側節點建立mass21單元
圖9 設置質量屬性0.01（一定xyz三個方向都設置，不然總質量將是0.01/3）
在左側節點建立一個約束，約束所有自由度，在右側建立一個約束
在建立節點耦合時，比如將若干單元的節點自由度耦合到一個新建的節點時，這個新建節點比如依附于某個單元，否則求解時就會報出上述錯誤信息，這里的解決方案就是在節點4417處建立一個mass21單元，為了消除mass21單元對求解結果的影響需將mass21的質量屬性設置到非常低，特別是在模態求解時，質量會嚴重影響模態求解結果，效果如下圖。
HyperMesh網格模型
為了方便在對應的鉸點上施加上面得到的Adams仿真分析得到的受力結果，在后臂的鉸座表面處均建立了點網格（MASS21）,并與鉸座表面節點建立起剛性連接。定義點網格質量近似為0，這樣在點網格施加的力可以等效的傳遞到鉸座表面各節點處。
ANSYS質量單元為MASS21單元，彈簧單元為COMBIN14單元，單質點模型周期為2.7s，阻尼為瑞麗阻尼。
ET,2,MASS21
KEYOPT,2,2,0
KEYOPT,2,3,0
R,2,1e5,1e5,1e5,1e5,1e5,1e5,
n,1,-1
type,2
real,2
mat,2
e,1
nsel,s,loc,x,-1,0
為控制整個目標面的邊界條件和運動,在下列情況時必須使用導向節點:(1)
目標面上作用著給定的外力;(2)目標面發生旋轉;3)目標面和其他單元相連,如結構質量單元MASS21等;(4)目標面的運動有平衡條件調節。
參數定義
et,1,mass21,1,,2 !1號質量單元定義
mass21et,2,shell63 !2號殼單元定義
shell63 et,3,conta175,,1 !3號接觸單元定義
conta175et,4,targe170 !4號接觸目標單元定義
targe170 r,1,0.02 !
7.8 SHELL28單元
7.9 SHELL41單元
7.10 SHELL150單元
7.11 SHELL61單元
7.12 SHELL209單元
7.13 SHELL208單元
第8章 彈簧單元
8.1 COMBIN14單元
8.2 COMBIN40單元
8.3 COMBIN37單元
8.4 COMBIN39單元
8.5 COMBIN7單元
第9章 質量單元
9.1 MASS21
