solid單元的案例
ANSYS不同單元類型連接專題（二）Solid-Beam單元的連接（類型二）
通過對(duì)比兩次計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
1）全部使用Solid單元進(jìn)行分析和使用Solid單元和Beam單元連接起來進(jìn)行分析，
計(jì)算結(jié)果幾乎完全一致；（整體應(yīng)力最大數(shù)值的大小和位置，使用solid單元計(jì)算存在應(yīng)力奇異，不進(jìn)行比較）。
2）使用Solid單元和Beam單元建模和全部使用solid單元進(jìn)行建模相比，節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大減少，
顯著
降低了計(jì)算量。
三、連接原理。
詳見上篇文章
《ANSYS不同單元類型連接專題（一）Solid-Beam單元的連接》。
至此，本文完結(jié)。
歡迎大家點(diǎn)擊在看和轉(zhuǎn)發(fā)支持！掃描二維碼關(guān)注公眾號(hào)，一起聊聊力學(xué)和有限元那點(diǎn)兒事。
展開 ANSYS不同單元類型連接專題（一）Solid-Beam單元的連接
不同單元類型連接，對(duì)初學(xué)者來說一直是個(gè)困擾，筆者在學(xué)習(xí)ANSYS的時(shí)候，也遇到了這個(gè)問題。今天開始，筆者將對(duì)ANSYS不同單元類型連接開設(shè)一個(gè)專題，仔細(xì)和大家說說不同單元類型，到底該怎么連。
我們知道，相同自由度的單元（如Beam-Shell）進(jìn)行連接時(shí)，可以直接使用共節(jié)點(diǎn)連接；而不同自由度的單元連接時(shí)，需要建立約束方程。
注意：單元自由度的異同有兩個(gè)含義，即單元的自由度個(gè)數(shù)和自由度的物理意義。
為了給大家進(jìn)行軟件操作演示，筆者隨便瞎編亂造了一個(gè)結(jié)構(gòu)：橫截面為10mm×10mm，長(zhǎng)度為200mm的方形梁，底端開了一個(gè)直徑為5mm的孔，模型如下。
我們知道，細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，我們可以使用Beam單元進(jìn)行分析，可偏偏有好事者在一個(gè)完美的梁結(jié)構(gòu)上開了個(gè)孔，這樣直接導(dǎo)致我們無(wú)法對(duì)其整體使用Beam單元了，那這樣的結(jié)構(gòu)我們?cè)撊绾翁幚砟兀刻峁┮韵聝煞N方法：
方法一：對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)使用Solid單元進(jìn)行分析；
方法二：孔附近使用Solid單元，其余位置使用Beam單元。這樣就引入了不同單元類型連接的問題。
為了比較不同單元類型連接后的精度，筆者建立了兩個(gè)靜力學(xué)項(xiàng)目：一個(gè)是全部使用Solid單元進(jìn)行分析的模型
solid；另一個(gè)是使用Solid單元和Beam單元連接起來分析的
solid_beam。
打開workbench，建立兩個(gè)靜力學(xué)項(xiàng)目，分別命名為“solid”和“solid-shell”，并導(dǎo)入建立的幾何模型。
一、solid-beam計(jì)算。
展開 ANSYS不同單元類型連接專題(三)—Solid-Shell連接
我們之前討論了ANSYS不同單元類型連接中的Solid-Beam單元的連接，通過研究Solid-Beam單元連接的兩種方式，梳理了一下不同單元類型連接時(shí)需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。今天我們開始討論Solid-Shell單元的連接。
我們知道，Shell單元有6個(gè)自由度，而Solid單元只有3個(gè)自由度，因此不能通過簡(jiǎn)單的共節(jié)點(diǎn)方法實(shí)現(xiàn)Solid-Shell單元的連接。下面我們通過一個(gè)實(shí)例，研究下在ANSYS中是怎么實(shí)現(xiàn)Solid-Shell單元連接的。
對(duì)簡(jiǎn)單的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，我們通常將其簡(jiǎn)化成殼模型，可極大降低計(jì)算量，但在板上開一個(gè)階梯孔（如下圖），就沒法將其簡(jiǎn)化成殼模型了，但如果主要研究階梯孔附近的應(yīng)力情況，且不能有太大的計(jì)算量，此時(shí)我們可以采用Solid-Shell模型實(shí)現(xiàn)。
為了對(duì)比計(jì)算結(jié)果，筆者采用兩種方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：
方法一：對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)使用
Solid單元進(jìn)行分析；
方法二：
階梯孔附近使用Solid單元，其余位置使用Shell單元。這樣就引入了不同單元類型連接的問題。
仿真過程
Step1
建立分析模型
在SCDM中建立如下圖所示的分析模型，其中薄板尺寸為200mm*100mm，厚度為10mm；階梯孔大孔直徑為30mm，深5mm；
階梯孔
小孔直徑為
20mm
，
深5mm。
將模型切分為兩部分，切分位置如下圖所示。切分完成后將沒帶階梯孔的部分進(jìn)行抽中面處理。
展開 shell單元與solid單元結(jié)點(diǎn)耦合
shell單元與solid單元結(jié)點(diǎn)耦合
brilliance 發(fā)表于simwe.com
結(jié)點(diǎn)的自由度耦合
SOLID95 單元的每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度：UX, UY, UZ，而SHELL93 單元的每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度：UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ。僅僅經(jīng)過布爾操作使得在內(nèi)板與外壁保證在連接處共線是不能夠完全連接單元結(jié)點(diǎn)自由度的，以下的算例驗(yàn)證了這點(diǎn)。
在ANSYS 軟件中可以采用耦合與約束方程來實(shí)現(xiàn)不同類型單元的連接，就本文的模型，由于外壁與內(nèi)板連接處結(jié)點(diǎn)過多，而且很難保證外壁結(jié)點(diǎn)與內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)，所以該方法實(shí)際操作起來很困難。
本文提出一個(gè)方便實(shí)用的操作方法，既能保證在連接處結(jié)點(diǎn)的自由度完全連接，又能方便建模。如圖1 所示，在柵板與外壁連接處用divide 命令將外壁分為兩部分，將外壁兩部分的交界面也用SHELL93 單元劃分網(wǎng)格，同時(shí)保證交界面上的SHELL93 單元的結(jié)點(diǎn)與體單元SOLID95 的結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，如圖2 所示。經(jīng)過這樣處理后，在交界面上的SHELL93 單元結(jié)點(diǎn)與SOLID95 單元結(jié)點(diǎn)的自由度一致，由此可以保證內(nèi)板與外壁連接處的結(jié)點(diǎn)的自由度保持一致。
圖1 分割外部圓筒 圖2 交界面網(wǎng)格劃分
算例驗(yàn)證
只保留2 mm 厚的外部圓筒與2 mm 厚的內(nèi)部柵板來建立驗(yàn)證算例模型，如圖3 所示：
算例A：外壁與內(nèi)板同為Area，用SHELL93 單元劃分網(wǎng)格。
算例B：外壁與內(nèi)板同為Volume，用SOLID95 單元劃分網(wǎng)格。
算例C：外壁為Volume，用SOLID95 單元劃分網(wǎng)格；內(nèi)板為Area，用SHELL93
單元劃分網(wǎng)格。兩者保證在連接處共線。
展開 
轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)系列（八）：軸對(duì)稱實(shí)體單元Solid272/Solid273的應(yīng)用 ￥39
轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般為對(duì)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用Solid186實(shí)體單元需要比較高的電腦配置而且計(jì)算耗時(shí)也比較長(zhǎng)，此時(shí)可以考慮采用軸對(duì)稱實(shí)體單元Solid272、273單元來模擬；Solid272、273單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有3個(gè)方向的平動(dòng)自由度，只要求模型軸對(duì)稱，并不需要邊界條件軸對(duì)稱。
1問題描述
如圖所示的轉(zhuǎn)子模型，材料彈性模量為2.078E11Pa，密度為7800kg/m3，垂直面上兩個(gè)方向的軸承剛度均為4.378E+07 N/m，暫不考慮阻尼的影響。求該轉(zhuǎn)子模型的渦動(dòng)頻率、振型、臨界轉(zhuǎn)速；并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將一階正進(jìn)動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速值固定在17000rpm。
展開 ANSYS中的節(jié)點(diǎn)解與單元解是怎么回事？附solid186與solid185單元結(jié)果對(duì)比文檔下載
而20節(jié)點(diǎn)單元縮減積分后，有7個(gè)積分點(diǎn)，應(yīng)該輸出7個(gè)單元解，經(jīng)過計(jì)算如圖8所示：
圖8
圖8正好是7個(gè)輸出解。
Abaqus的計(jì)算表明單元輸出解果然是輸出單元積分點(diǎn)的值，采用完全積分和縮減積分單元輸出解不一樣，求解精度不一樣。
那么為什么ANSYS則沒有這種規(guī)律呢？
其實(shí)后臺(tái)程序計(jì)算是肯定是按照理論上走的，也就是先得到節(jié)點(diǎn)的位移，再得到單元積分點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變，再外推得到各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變，最后平均得到節(jié)點(diǎn)解。
ANSYS之所以顯示的單元解不是單元積分點(diǎn)的解，而是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的解，是因?yàn)锳NSYS已經(jīng)在得到單元積分點(diǎn)的解之后經(jīng)過外推得到了單元各個(gè)角節(jié)點(diǎn)的解，但是還沒有做平均。
也就是，ANSYS的單元解，其實(shí)不能完全看作單元解，筆者稱之為單元角節(jié)點(diǎn)解。
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===============
結(jié)果對(duì)比：
一、等效應(yīng)力場(chǎng)
Plane42單元等效應(yīng)力場(chǎng)
Plane182單元等效應(yīng)力場(chǎng)
二、Y方向位移場(chǎng)
Plane42單元Y方向位移場(chǎng)
Plane182單元Y方向位移場(chǎng)
三、襯砌彎矩
Plane42單元襯砌彎矩
Plane182單元襯砌彎矩
通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，兩者計(jì)算結(jié)果誤差較小，說明上述參數(shù)等效方法能較好的實(shí)現(xiàn)EDP材料模型參數(shù)的輸入，故而同學(xué)們?cè)谧鲱愃茙r土類模擬時(shí)可選擇如下方法進(jìn)行：
一、采用低級(jí)單元Plane42、Solid45，材料模型采用經(jīng)典DP模型；
二、采用高級(jí)單元Plane182、Solid185，材料模型采用EDP模型，模型參數(shù)可按本文所述方法進(jìn)行計(jì)算
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展開 NASTRAN的shell單元和solid的連接參考PDF
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降溫法+追蹤法模擬巖土開挖與支護(hù)中的shell面殼單元與實(shí)體solid element合理連接
最近在計(jì)算中遇到殼單元與實(shí)體單元的連接問題，先簡(jiǎn)對(duì)問題進(jìn)行說明，進(jìn)而提出問題，希望大家給予解決的辦法，同時(shí)也希望對(duì)巖土的朋友有所幫助。
洞室開挖與支護(hù)的時(shí)候，周圍巖土體用實(shí)體單元（solid elements）模擬，支護(hù)的混凝土襯砌用面殼單元（shell elements）模擬，那么就出現(xiàn)如下問題：
（1）支護(hù)的面殼單元與被支護(hù)的巖土體共節(jié)點(diǎn)時(shí)，共用的節(jié)點(diǎn)即屬于面殼單元又屬于實(shí)體單元，那么對(duì)于面殼單元來說，共用的節(jié)點(diǎn)就有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如果轉(zhuǎn)動(dòng)過大，對(duì)應(yīng)共用節(jié)點(diǎn)的這部分實(shí)體單元來說，很可能造成不收斂情況，那么共用節(jié)點(diǎn)的情況該如何處理共用節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，網(wǎng)友說采用equation，我看了下，好像不太合理。
（2）支護(hù)的面殼單元與被支護(hù)的實(shí)體單元不共用節(jié)點(diǎn)，那么實(shí)體單元與面殼單元該如何連接最為合理呢。如果采用tie會(huì)造成應(yīng)力的集中，不太符合實(shí)際，coupling等 沒有試過。如果采用接觸對(duì)定義接觸，個(gè)人感覺很難被工程接受，原因是接觸參數(shù)取值的合理性和可信性，接觸狀態(tài)的合理性等。
提出以上開挖支護(hù)中遇到的一個(gè)問題，希望大家發(fā)表自己的心得。
首先感謝Simwe論壇，也Robert_Su的熱心關(guān)注與指導(dǎo)。
通過幾天的摸索嘗試，應(yīng)力集中問題已經(jīng)基本搞定：采用surface to surface 綁定約束，面殼網(wǎng)格與其支護(hù)的實(shí)體網(wǎng)格密度完全相同，非共節(jié)點(diǎn)綁定約束的響應(yīng)和共節(jié)點(diǎn)模型的響應(yīng)幾乎沒有差別。
現(xiàn)將采用降溫法+追蹤法模擬洞室開挖和支護(hù)的共節(jié)點(diǎn)與非共節(jié)點(diǎn)小模型的inp上傳，希望對(duì)巖土開挖與支護(hù)的朋友有用。簡(jiǎn)單介紹下開挖實(shí)現(xiàn)的過程：前提---無(wú)論是共節(jié)點(diǎn)還是非共節(jié)點(diǎn)模型，面殼shell單元都要建立兩組相同節(jié)點(diǎn)不同單元號(hào)的襯砌shell單元組，其中一組給定很小的材料參數(shù)，用來追蹤降溫過中襯砌-圍巖交界面處的幾何位置（參考幫助或本論壇相關(guān)帖子）。
展開 
薦：自用的ANSYS參數(shù)化建模的工具書
第1章 結(jié)構(gòu)分析單元
1.1 單元的一般特性
1.2 單元分類
第2章 桿單元
2.1 LINK1單元
2.2 LINK8單元
2.3 LINK10單元
2.4 LINK11單元
2.5 LINK180單元
第3章 梁單元
3.1 BEAM3單元
3.2 BEAM4單元
3.3 BEAM23單元
3.4 BEAM24單元
3.5 BEAM44單元
3.6 BEAM54單元
3.7 BEAM188單元
3.8 BEAM189單元
第4章 管單元
4.1 PIPE16單元
4.2 PIPE17單元
4.3 PIPE18單元
4.4 PIPE20單元
4.5 PIPE59單元
4.6 PIPE60單元
第5章 2D實(shí)體單元
5.1 PLANE42單元
5.2 PLANE82單元
5.3 PLANE2單元
5.4 PLANE25單元
5.5 PLANE83單元
5.6 PLANE145單元
5.7 PLANE146單元
5.8 PLANE182單元
5.9 PLANE183單元
第6章 3D實(shí)體單元
6.1 SOLID45單元
6.2 SOLID95單元
6.3 SOLID92單元
6.4 SOLID46單元
6.5 SOLID191單元
6.6 SOLID64單元
6.7 SOLID65單元
6.8 SOLID147單元
6.9 SOLID148單元
6.10 SOLID185單元
6.11 SOLID186結(jié)構(gòu)實(shí)體單元
6.12 SOLID186分層實(shí)體單元
6.13 SOLID187單元
6.14 SOLSH190單元
第7章 殼單元
7.1 SHELL63單元
7.2 SHELL93單元
7.3 SHELL43單元
7.4 SHELL181單元
7.5 SHELL281
展開 ANSYS知識(shí)普及10——如何分析復(fù)合材料（1）（ANSYS專家編輯，非原創(chuàng)，歡迎轉(zhuǎn)摘）
關(guān)于Solid 46單元：
（1） Solid 46是用于模擬復(fù)合材料厚殼或?qū)嶓w的8節(jié)點(diǎn)三維層合結(jié)構(gòu)單元，單元節(jié)點(diǎn)有x,y和z方向三個(gè)結(jié)構(gòu)自由度，單元允許最多250層不同的材料；
（2） 這種單元的定義包括：8個(gè)節(jié)點(diǎn)、各層厚度、各層材料方向角和正交各項(xiàng)異性材料屬性，其中每層可以為面內(nèi)兩個(gè)方向雙線性的不等厚層；
（3） 在材料定義時(shí)，只需定義材料主方向和材料坐標(biāo)系（單元坐標(biāo)系）一致的材料參數(shù)，不一致的復(fù)合材料層通過定義材料方向角（該層材料主方向和材料坐標(biāo)系所成的角度）由程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換；
（4） 通過選擇不同的層直接在單元坐標(biāo)下獲取單元應(yīng)力，包括三個(gè)方向的應(yīng)力和面內(nèi)剪切應(yīng)力，而不需要通過應(yīng)力應(yīng)變的轉(zhuǎn)換來獲取；
6、SOLID186單元
SOLID186單元是20節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。每個(gè)單元最多允許有250層的等厚度材料層，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)，支持材料的非線性行為和大變形。
7、SOLID191單元
SOLID191單元是20節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元SOLID195的一種層疊形式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。每個(gè)單元最多允許有100層的等厚度材料層，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)。SHELL191單元不支持材料的非線性行為和大變形。
8、其他
除上述單元外，還有其它的一些具有層功能的單元：
SOLID95 是20節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，在KEYOPT(1)=1時(shí)，其作用與單層的SOLID191單元類似，包括應(yīng)用方位角和失效準(zhǔn)則，還允許非線性材料和大撓度。
SHELL63 是四節(jié)點(diǎn)殼單元，可用于對(duì)“三明治”殼結(jié)構(gòu)作粗糙、近似的計(jì)算。象兩塊金屬片之間夾有一層聚合物的問題就很典型，此時(shí)聚合物的彎曲剛度相對(duì)于金屬片的彎曲剛度來說是一個(gè)小量。用戶可以用實(shí)常數(shù) RMI 來修正單元的彎曲剛度，使其等效于由金屬片引起的彎曲剛度。
展開 淺談abaqus針對(duì)不同單元類型定義初始溫度場(chǎng)
針對(duì)不同的單元類型（Solid單元、Shell單元、Beam單元），Abaqus提供了多種不同的定義初始溫度場(chǎng)的方法，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活的選擇不同的定義方式，從而更加精確的實(shí)現(xiàn)仿真分析。下面簡(jiǎn)單的介紹一下在Abaqus中以上三種單元定義初始溫度場(chǎng)的方法。
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Solid單元初始溫度場(chǎng)定義
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Shell單元初始溫度場(chǎng)定義
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Beam單元的初始溫度場(chǎng)定義
這三部分單元的初始溫度場(chǎng)定義詳見附件：
淺談abaqus針對(duì)不同單元類型的初始溫度場(chǎng)定義.pdf
展開 鋼結(jié)構(gòu)焊接的Ansys數(shù)值模擬
對(duì)于焊接模擬，溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的順序耦合過程如下：先進(jìn)行熱應(yīng)力分析求得結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，保存在rth.文件中；將模型中的單元轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元，并將上一步求得的熱分析結(jié)果當(dāng)作體載荷施加到節(jié)點(diǎn)上，由此求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布。由于順序耦合中各物理場(chǎng)分析是相互獨(dú)立的，應(yīng)用方式更有效和靈活，文中采用了順序耦合方法。
1.2 單元選擇
對(duì)工程構(gòu)件的數(shù)值模擬，一般需要進(jìn)行三維數(shù)值分析。有限元分析中，常用的三維單元為：熱分析實(shí)體單元solid70和單元solid90，應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)構(gòu)單元solid185單元和solid186。
solid70單元屬于六面體、8個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元，靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析都適用，如圖1 所示。該單元的特點(diǎn)是由各向同性材料屬性定義。在進(jìn)行焊接應(yīng)力變形等結(jié)構(gòu)分析時(shí)，此單元能夠轉(zhuǎn)化為等效的結(jié)構(gòu)單元-solid185。
solid185單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)。單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)分別沿著x、y、z方向平移的自由度。單元具有超彈性、大變形和大應(yīng)變的特點(diǎn)。
solid90單元是屬于六面體、20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元，是solid70單元的高階形式，適用于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。其主要特點(diǎn)是有適當(dāng)?shù)臏囟葏f(xié)調(diào)形狀，對(duì)于模擬曲線邊界比較適用，所以也可以產(chǎn)生棱柱形狀的單元、四面體形的單元和金字塔型的單元，如圖2 所示。在進(jìn)行焊接應(yīng)力變形等結(jié)構(gòu)分析時(shí)，此單元能夠轉(zhuǎn)化為等效的結(jié)構(gòu)單元-solid186。
solid186是一個(gè)高階三維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，solid186具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則的網(wǎng)格。單元通過20個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)分別沿著x、y、z方向平移的自由度。solid186可以具有任意的空間各向異性，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化、大變形和大應(yīng)變能力。
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