ansys單元集中的案例
ANSYS分析VS理論解 | 梁分別受集中力、集中力偶和均布載荷作用的應力和變形
受彎曲變形，用梁單元BEAM188建模分析。梁單元的單元屬性有單元類型、截面屬性和材料屬性。掌握施加位移約束和載荷的方法，特別是均布載荷的施加。熟練進行后處理，包括約束反力、內力、應力和變形，特別是剪力圖和彎矩圖與材料力學的對比，切應力和正應力云圖的提取方法。
一、問題描述
一簡支梁，總長l =0.4m，其中a= b = l/2，橫截面尺寸B = 6mm，H=10 mm，彈性模量E= 200 GPa，泊松比u = 0.3。分別受三種載荷作用：（1）受集中力F =100 N；（2）集中力偶Me= 20 N·m；（3）受均布載荷q =500 N/m。計算梁的約束反力、內力（剪力和彎矩）、應力（切應力和正應力）和變形（轉角和撓度）。
二、理論計算
參考教材：劉鴻文. 材料力學(第5版) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2011: 110-209.
三、GUI步驟
1．進入ANSYS
程序→ ANSYS → ANSYS Product Launcher → 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入：file → Run。
2．定義工作文件名及工作標題
(1)定義工作文件名：UtilityMenu > File > Change Jobname → Change Jobname → 輸入文件名file→ OK。可不用輸入，默認為file。
(2)定義工作標題：UtilityMenu > File > Change Title → Change Title → 輸入Beam→ OK。可不用輸入。
展開 應力集中問題與ANSYS驗證
在工程上，應力集中的程度用局部最大應力σmax與該截面上的名義應力σnom的比值來表示，即
Ktσ=σmax/σnom
Ktσ稱為理論應力集中系數。下面，我們將通過一個典型應力集中問題——帶孔平板，使用ANSYS軟件求出最大應力和應力分布圖，并與彈性理論計算的結果進行比較：
根據彈性力學知識，孔邊環向正應力的大小是無孔時的3倍，隨著遠離孔邊而極速趨近于q。
ANSYS求解：
Step1：在SCDM中創建平面模型。
由于我們使用平面應力模型計算，所以建模時必須要將橫截面建立在xy平面上。建立一個邊長為20mm×10mm的平面模型，中間孔的直徑為2mm。我們將模型分為四部分，方便在每部分的邊界上設置Path，從而繪制應力曲線。由于該模型同時關于X軸和Y軸對稱，我們也可以使用四分之一模型建模。此處筆者使用完整模型。建立完成以后，使用share命令共享拓撲，然后點擊菜單欄Workbench→ANSYS transfer→2020R1進入Workbench。
Step2：設置分析類型（2D）。
在Project Schematic中的空白處點擊右鍵，選擇Properties，打開Properties of Project Schematic。單擊項目中的A3（Geometry）欄，在Propertiesof Project Schematic A3: Geometry中將AnalysisType切換為2D。（若Analysis Type為3D，則導入平面幾何后軟件將使用殼單元計算。）
展開 Ansys workbench應力集中位置的靜強度評估對比
幾何模型如圖所示，楊氏模量2.1X1011pa，屈服強度355MPa，抗拉強度450MPa，斷后伸長率20%。左邊固定，右邊施加1000N垂直向下的力，計算材料的安全系數。
一、載荷約束如圖所示
二、通過軟件分析得到的應力收斂解為188.01MPa，安全系數n1=1.89。
三、使用名義應力法對倒角最大處求解名義應力
對應力最大位置獲取力矩為37000N*mm，慣性矩為810mm^4，形心距為3mm，抗彎截面系數為300 mm^3。即可獲得最大點處的名義應力為137MPa。安全系數為n2=355/137=2.6。
三、根據《德國FKM強度評估指南》
3.1、
3.8、FKM中材料利用率與安全系數互為倒數，n3=3.4
4、通過對三種分析結果判斷
n3 >n2>n1
3.4 >2.6 >1.89
FKM安全系數最大，收劍解安全系數最小。
展開 基于ansys的梁單元、實體單元徐變精細化分析（含各參數解釋） ￥25
2、改網格模型，改成自己對應的網格模型，網格用ansys，hypermesh，ansa等前處理軟件都沒問題。
3、改材料參數，改成你想要的徐變模型，對著規范或者是你做出來的試驗擬合曲線。
以上即可實際應用。
ANSYS預應力鋼筋與混凝土耦合造成應力集中的一種解決方法
問題描述
用ANSYS計算預應力混凝土非線性有限元問題時，混凝土采用三維Solid單元，預應力鋼筋采用線性的Link單元。常規做法是分別建模，用耦合的方法使鋼筋和混凝土單元協調工作。
于是，問題出現了，當二維單元和三維單元進行耦合的時候，在耦合點處“天然出現應力集中現象”，而且應力集中對整體有限元計算精度的影響隨著單元尺度劃分的不同而不同。
作者還提供的對比計算結果如下：
原因分析
1.沿梁縱向，恰好也是鋼筋線性單元的布置方向，所以此方向上的應力和跨中撓度受單元劃分尺度影響很小；
2.沿梁豎向，曲線預應力有豎彎構造時，單元劃分尺度對豎向應力影響較大；
3.沿梁橫向，曲線預應力有橫彎構造時，單元劃分尺度對豎向應力影響較大；
4.當曲線預應力鋼筋的彎折半徑較小時，彎折區域應力集中可能會對計算結果有較大影響。
解決方案
作者提出了一個解決方案：用三維Solid單元代替二維單元模擬預應力鋼筋。并且通過對比計算得出以下結論：
1.沿跨度縱向方向”當單元劃分尺度適宜時”單元劃分尺度變化對于特征應力影響微乎其微；
2.沿截面豎向方向”單元劃分尺度變化時”其應力相對變化率約在5%以內；
3.沿截面橫向方向”單元劃分尺度變化時”其應力相對變化率約在10%以內，當單元劃分尺度選取適宜時”其應力相對變化率可控制在
5%左右。
至此，耦合產生的應力集中問題基本解決。
展開 ANSYS單元類型選擇方法 附ansys結構單元與材料應用手冊下載
六、單元類型選擇方法
7.進行完前面的選擇工作，單元類型就基本上已經定位在2-3種單元類型上了，接下來打開這幾種單元的幫助手冊，進行以下工作：
仔細閱讀其單元描述，檢查是否與分析問題的背景吻合、
了解單元所需輸入的參數、單元關鍵項和載荷考慮；
了解單元的輸出數據；
下載地址：ansys結構單元與材料應用手冊
基于ANSYS的應力集中分析(個人原創，轉載請注明出處，謝謝！技術鄰ID有限元中解人生) ￥2
基于ANSYS的應力集中分析
靜力分析概述
靜力分析計算結構在固定不變載荷下的響應。靜力分析不考慮結構的慣性和阻尼的影響，但是靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結構的影響（例如重力和離心力），以及那些可以近似等價為靜力作用的隨時間變化的載荷（例如在很多建筑規范中所定義的等價靜力風載荷和地震載荷）。
靜力分析用于計算由不包括慣性和阻尼效應的載荷作用于結構或部件上引起的位移、應力、應變和反力等。固定不變的載荷和響應是一種理想的假設，即假定載荷和結構的響應隨時間的變化非常緩慢。靜力分析所處理的載荷通常包括：
（1）外部施加的作用力（集中力、分布力和體積力等）；
（2）穩定的慣性力（重力和離心力等）；
（3）強迫位移；
（4）溫度載荷（對于溫度應變）；
（5）能流載荷（對于核能膨脹）；
靜力分析可以是線性的也可以是非線性的。非線性靜力分析包括所有類型的非線性：大變形、彈塑性、蠕變、應力剛化、接觸等，這些將在高級篇中分別講述。本章只涉及線性情況，即小變形，材料是線彈性的。
靜力分析的一般步驟通常如下。
（1）建模。首先用戶應該指定工作目錄、文件名和分析標題，然后在前處理中定義模型幾何元素、單元類型、實常數、材料參數等。這些步驟對大多數ANSYS分析類型是一致的。前處理中需要注意以下問題。
① 可以應用線性或非線性結構單元。
② 材料特性可以是線性或非線性、各向同性或正交各向同性、常數或與溫度相關的。
必須按某種形式定義剛度（如彈性模量EX、超彈性系數等）。
對于慣性載荷（如重力、離心力等），必須定義質量計算所需的數據，如密度DENS等。
對于溫度載荷，必須定義熱膨脹系數ALPX。
③ 對于網格密度，要記住以下兩點。
展開 ANSYS中桿單元和殼單元的單元耦合問題
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 !
展開 ANSYS各類型單元連接專題講解(五)之3D梁單元與殼單元剛接
例如采用ANSYS模擬一個多層混凝土框架結構，一般除計算整體指標外，我們在計算具體荷載作用時（如風荷載、地震作用、恒載、活載等），樓板一般采用彈性版，此時可用殼單元模擬，主梁、次梁采用梁單元模擬，此時變為梁單元包含在殼面內的情況，當然此類情況是否需要考慮截面偏置，可根據具體工程而定。
對這中梁單元包含在殼單元面內的情況，只需要將梁單元與殼單元共用節點即可，而無須格外建立約束方程。
三、梁單元在殼單元內但不包含
此種情況為梁與殼位于同一面內，但其中面不包含梁線，適用于多尺度建模分析（如下圖）。梁單元與殼單元的連接在端部可以通過剛性梁和剛性區域兩種方式連接。剛性梁采用MPC184單元，剛性區域采用Cerig命令，具體使用方法下期文章討論。
展開 ANSYS APDL實體單元和殼單元（不共節點）之間的連接 ￥100
實體單元和殼單元之間的連接是ANSYS中常見的問題。即使兩種單元之間共節點，但單元之間不連續（實體單元每個節點有3個平動自由度，而殼單元每個節點有3個平動自由度和3個轉動自由度），對于兩種單元之間面面接觸，可直接定義剛域，本文主要采用MPC法對實體-殼單元的連接方法進行說明。
1 單元類型
算例模型中，實體單元采用SOLID45，殼單元采用SHELL63，接觸位置不共節點。對于兩種單元之間的連接，通過目標單元TARGE170和接觸單元CONTA175實現，定義約束為實體-殼約束，接觸單元為MPC算法，接觸類型為綁定接觸。
2 有限元模型和綁定接觸
圖1 底部固定約束，殼單元施加均布荷載
圖2 目標單元和接觸單元
3 計算結果
圖3 von Mises stress
圖4 X-Component of displacement
付費內容為相關命令流。
展開 ANSYS梁單元與實體單元的耦合與約束方程
ANSYS梁單元與實體單元的耦合與約束方程
By長安CAE
1 概述
在ANSYS計算過程中，有時候會遇到不同單元之間進行連接，由于不同的單元自由度不同，連接時通常需要通過耦合和約束方程建立節點自由度的關系，保證結果的準確性。
耦合可以理解成是將耦合的對象某個自由度作相等處理，而約束方程則不局限于相等這個關系，其可以描述具有某種關系的自由度。如圖1所示，為梁單元與平面單元的連接。如果不采用約束方程，力矩的傳遞無法完成，因為平面單元沒有轉動自由度。
圖1 梁單元與平面單元連接
為使節點2具有力矩傳遞的能力，要求1、2、3節點之間的自由度滿足以下關系：
ROTZ2 = (UY3 - UY1)/10
再通過CE命令，即可將此關系通過約束方程的形式施加給1、2、3節點。
2 命令
查看ANSYS的幫助文檔，查詢CE命令的解釋，如圖2所示。
圖2 ANSYS的CE命令解釋
CE, NEQN, CONST, NODE1, Lab1, C1, NODE2, Lab2, C2, NODE3, Lab3, C3
其中，NEQT表示常數，用于區別約束方程，一般可以用數字1、2、3表示即可，表示第幾個約束方程；
CONST表示方程的常數項，一般為0；
NODE1，表示第一個節點；
Lab1，表示自由度標簽，對于結構而言，就是三個平移和三個轉動自由度；
C1，表示該自由度的系數；
同理，后面的也一樣。
展開 
在ANSYS 中3維坐標下的 shell structure 使用2D 平面單元劃分，應該使用哪個單元型號的單元
在ANSYS 中3維坐標下的 shell structure 使用2D 平面單元（僅考慮平面內的位移）劃分，應該使用哪個單元型號的單元？
ANSYS特殊單元——Follw201（隨動荷載）單元
ANSYS的Follw201單元是ANSYS的幾個特殊單元（比如mesh200）之一，稱為隨動荷載單元。都知道在ansys里面施加壓力載荷pressure時，其實載荷是可以隨動的，也就是能夠一直保持著面的法線方向，而施加集中了或者力矩時則不能保證。Follw201單元便能解決這個問題。
Follw201單元是一個單節點的3D單元，具有六個自由度，只能夠覆蓋在既有單元節點上，而且節點必須具有3個平移自由度和3個轉動自由度，也即是只能用在梁單元和殼單元上，實體單元僅有三個自由度。
Follw201單元主要用于幾何非線性分析問題中，在這類問題的分析過程中幾何會發生比較大的變形，面或線的法線方向可能發生比較大的變化，施加的載荷的方向是否隨動對結果的影響非常大。也就是用到此單元時會配對使用Nlgeon,on命令以打開大變形開關。如下圖所示為單元示意圖。
圖1
每個單元有兩個面，面1用于設定集中力的大小，面2用于設置力矩的大小，面的方向在應用時是通過單元的實常數進行定義的。
另外還需要注意，有限元求解的時候大部分是求解對稱矩陣，但隨動荷載單元的應用則包括了隨動荷載剛化效應，使剛度矩陣為非對稱的，因此需要采用非對稱求解器進行計算。
下面是具體應用，建一根梁單元，在梁的端部施加隨動集中力。
/prep7
!定義參數
EE=207E3
B=10
LCD=300
AA=B*B
IZ=B**4/12
PHZ=EE*IZ/LCD/LCD
!定義單元和材料
!201單元不需要定義材料
et,1,beam4
et,2,follw201
mp,ex,1,ee
mp,prxy,1,0.3
!定義實常數，實常數1設置梁單元的參數
r,1,aa,iz,iz,b,b
r,2,,1.0
!
展開 ANSYS不同單元類型連接專題（一）Solid-Beam單元的連接
通過對比兩次計算的結果發現：
1）全部使用Solid單元進行分析和使用Solid單元和Beam單元連接起來進行分析，
計算結果幾乎完全一致；
2）使用Solid單元和Beam單元建模和全部使用solid單元進行建模相比，節點數量大大減少，
顯著
降低了計算量。
三、連接原理。
在Workbench中，我們很容易就建立了solid-beam的連接，那么，軟件究竟是根據什么原理建立的呢？我們去ANSYS經典中一探究竟。
通過查看單元類型我們發現，ANSYS生成了計算用的5種單元類型。而我們沒有定義接觸，怎么會有接觸單元174和目標單元170呢？
通過查看接觸向導我們發現，ANSYS生成了一個
單點控制接觸，控制節點為173184。看到這我們就大概明白了，在梁模型和實體模型接觸的位置，軟件建立了一個170點目標單元，在實體模型的端面上，軟件建立了174單元。使用170單元的173184節點控制174單元上的節點。
那么端面上的實體單元又是怎么和梁單元連接的呢？我們發現，還有一個
MPC184單元沒派上用場。我們單獨顯示MPC184單元，發現它連接了173183和173184節點，173184就是我們剛才提到的控制節點，而173183為軟件在梁模型的端點上建立的170單元上的節點。
至此，本文完結。
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展開 ANSYS不同單元類型連接專題（二）Solid-Beam單元的連接（類型二）
通過對比兩次計算的結果發現：
1）全部使用Solid單元進行分析和使用Solid單元和Beam單元連接起來進行分析，
計算結果幾乎完全一致；（整體應力最大數值的大小和位置，使用solid單元計算存在應力奇異，不進行比較）。
2）使用Solid單元和Beam單元建模和全部使用solid單元進行建模相比，節點數量大大減少，
顯著
降低了計算量。
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。
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