ansys焊縫單元的案例
基于ANSYS的某焊接件兩焊縫在順序焊接過程中的分析（生死單元應用案例）
關于生死單元的簡單介紹
在ansys計算過程中，如果需要向模型中加入（或刪除）實體，模型中對應實體部位的單元就“存在”（或消亡）。單元生死選項就用于在這種情況下殺死或重新激活選擇的單元。例如，在焊接分析過程中，隨著高溫焊料的加入，坡口處的單元需要不斷地被激活；在材料斷料分析中，隨著裂紋的延伸，斷裂處的單元需要不斷的被殺死；在隧道挖掘和橋梁建立分析中，材料也需要不斷的被殺死或激活。因此，單元的生死應用技術廣泛的存在于ansys仿真分析中，是一項應用非常廣泛的技術。
單元的生死并不是ansys程序將殺死單元對應的實體從模型中刪除，或者激活重新生成材料，而是通過將其剛度矩陣，或者傳導矩陣（對應于不同的分析），乘以很小的因子（ESTIF），默認值為1E-6。死單元的單元載荷將為0，從而不對載荷向量生效，等效于將單元殺死；同樣，當一個單元被重新激活時，其剛度，單元載荷等恢復其原始的數值，重新激活的單元也沒有應變記錄，在熱分析里面沒有熱量存儲。需要注意的是，生死單元對大部分單元可以應用，然而對某些單元卻是不可用的。
在一些情況下，單元生死狀態可以根據ansys的計算結果決定。如在斷裂分析中，我們需要將應力值大于材料屈服強度的單元殺死，可以利用Etable選擇相應的單元進行殺死，繼而返回到求解器進行求解，如果如此循環，則可觀察到裂紋的生長過程。
可以在大多數靜態和非線性瞬態分析中使用單元生死，其基本分析與相應的分析過程是一致的，主要包括三個步驟：建模，施加載荷并求解，查看結果。
今年隨著ANSYS19.0的推出，也帶來了一個好消息：ANSYS V19.0在Workbench界面下新增了網格生死功能。以往我們只能在經典界面下進行網格生死操作，或者在Workbench界面下借助APDL來實現網格生死，這種操作既不方便又容易出錯。
展開 ANSYS Mechanical聯合ANSYS nCode DesignLife 在實體焊縫疲勞分析
三、ANSYS nCode DesignLife實體焊縫疲勞分析流程
1、搭建有限元分析基本流程
根據疲勞載荷工況，搭建靜力學分析項目，例如圖8中搭建兩個載荷工況，值得注意的是，nCode DesignLife求解計算需要網格信息的一致性。
圖8
靜力學分析結果如圖9所示，注意這個等效應力結果不能作為焊縫靜力學評價標準（僅能作為疲勞分析中應力分布趨勢觀測使用）。
圖9
2、定義焊縫SCL文件
依據第2節說明進行焊縫文件的定義，注意在焊縫疲勞分析的配置文件中焊縫表達線的命名需要彼此不同。多條焊縫下“Existing Weldline file selected”需要選擇“Append”。鼠標右鍵點選“Evaluate All Results”生成焊縫信息到指定存放路徑，如圖10所示。
圖10
3、實體焊縫疲勞分析概述
圖11
ANSYS Workbench平臺并沒有直接的nCode DesignLife焊縫疲勞預定義分析模塊，但可以間接更改疲勞求解引擎進行求解，且采用ANSYS Workbench數據管理系統便于管理。
例如按照圖11所示引入A6和B6單元格求解信息進入C3單元格，修改項目名稱為【nCode SN Solidseam(DesignLife)】，方便識別工程分析內容。
ANSYS nCode DesignLife分析環境替換預定義求解引擎為焊縫疲勞引擎“Seam weld CAE Fatigue”，并完成輸入和輸出通道之間連接，如圖11所示。
展開 ANSYS Mechanical聯合ANSYS nCode DesignLife 在實體焊縫疲勞分析
作者 | 付穌昇 安世中德結構仿真咨詢專家
首發 | 仿真秀（ID:fangzhenxiu2018）
引言：ANSYS nCode DesigenLife具有強大的焊縫疲勞分析能力，由于分析過程的復雜性， ANSYS Workbench工作平臺預定義7類nCode DesignLife疲勞分析模塊并不包括對于焊縫疲勞的相關分析，需要間接完成。
ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析能夠對薄壁結構進行，同時也能夠基于非薄壁結構進行實體焊縫疲勞模擬，如圖1所示。
實體焊縫疲勞分析，基于結構應力法，對于實體網格建立的焊縫分析具有相當的普適性，相對于熱點應力法，無需對網格進行強制控制。
限于篇幅，本文僅對實體焊縫疲勞分析一般流程進行概述。
① 基于“DesignLife theory”對實體焊縫疲勞分析方法進行概述；
② 基于ANSYS Mechanical創建有限元求解；
③ 基于nCode Weldline創建實體焊縫信息；
④ 基于ANSYS nCode DesignLife進行實體焊縫疲勞求解引擎求解。
圖1
一、實體焊縫模型創建準則
1、ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析方法
ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析理論中對于實體焊縫評估采用結構應力法，與熱點應力法（距離焊趾表面一定距離的兩點或三點，進行線性或二次插值計算來確定焊趾處的熱點應力值，如圖2所示）相比較，結構應力法對于網格無需特殊考慮，對網格敏感程度相對較低。
展開 4/28 Ansys nCode DesignLife焊縫疲勞分析詳解
內容簡介
首先，介紹焊縫疲勞行為特點；進而，說明焊縫疲勞分析的名義應力法（如：BS7608）和結構應力法（如：Volvo (Shell單元)& ASME (Solid單元)基本原理，在Ansys系列軟件中的實現流程及案例；最后，介紹Ansys Mechanical 近年在處理焊縫建模的功能改進以及在Mechanical UI下調用nCode DesignLife開展焊縫疲勞分析的方法、流程及案例。
面向受眾
重型機械、風電、汽車（零部件）、航空航天、造船、橋梁、電子信息、海洋鉆探及高層建筑等行業需要對焊縫結構進行強度及疲勞分析的仿真工程師，相關科研人員及高校師生。
展開 
干貨 | ANSYS Ncode焊縫疲勞壽命評估方法簡介
若采用網格點力方法，依據網格點力數據去推導焊趾和焊根單元邊中間點的平均膜應力和彎曲應力，進而可以計算焊趾和焊根上下表面的法向應力，用于做法向方向的疲勞壽命評估。當需要對焊喉部位進行壽命評估計算時，Ncode將基于焊縫單元的兩個焊縫邊計算應力值，然后平均到中心位置。網格力方法要求采用線性單元。
7. Ncode焊縫疲勞壽命評估算法評估了彎曲應力對總應力的貢獻度，根據占比大小取確定，焊縫為剛性或柔性，不同的彎曲力占比，需要采用不同的S-N材料曲線，軟件會根據彎曲應力比重S-N曲線進行自動插值處理。
ANSYS Ncode Designlife焊縫疲勞仿真流程
展開 角焊縫（殼體）疲勞在ANSYS nCode DesigenLife的創建與計算原則淺述
ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析最初用于汽車行業薄板結構(1-3 mm) 的焊接分析模擬，采用薄殼搭建有限元模型，相關工業應用也都針對于此類結構進行。ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析采用結構應力法進行計算，具有好的網格不敏感性，目前該方法也適用于以實體建模的焊縫疲勞分析。
限于篇幅本文僅針對角焊縫（殼體）焊縫單元創建和計算的準則基于ANSYS nCode Theory手冊進行編寫，關于搭接焊縫、激光焊等請參考相關文獻資料。
兩名筆者水平極為有限，錯誤必然較多，另原稿成稿較早且截取原稿部分并非完整，某種程度未能緊跟相關技術發展，因此嚴禁直接應用于企業項目的產品分析以免造成重大事故和傷害。另外本文建立的焊縫有限元模型不能作為評估焊縫極限強度的方法進行使用。
一、殼體焊縫有限元建模通用原則
不同類型的焊縫形式具有不同的分析方式，需要根據焊縫種類進行分組，每一個有限元輸入分組應對應疲勞引擎中對應的有限元焊縫類型，并設置一個合理的參數數值。
對于以薄殼單元建立焊縫有限元建模具有一定的通用準則：
① 網格應以4節點四邊形單元為主，表達金屬薄板的中面。
② 以單排或雙排殼單元進行焊縫建模表達。
③ 焊縫網格規整，尺寸以5mm為最好，規避三角形網格出現。
④ 疲勞分析焊縫單元需設置特殊焊接屬性。
⑤ 焊縫單元法向保證設置法向朝外。
⑥ 毗鄰焊縫的單元的非平均化節點應力被提取作為焊趾和焊根疲勞計算評估使用，該應力也可以是平均化的或在單元邊長的中點處進行計算，通過在“ANSYS Group Properties”中設置“WeldLocation = MidElementEdge”進行考慮。
展開 斯姆勒精品案例：基于ANSYS子模型技術的焊縫結構的精細化計算
基于ANSYS子模型技術的焊縫結構精細化計算
掌握ANSYS焊縫子模型分析技巧
●技術背景
焊縫（welded seam）利用焊接熱源的高溫，將焊條和接縫處的金屬熔化連接而成的縫。焊縫金屬冷卻后，即將兩個焊件連接成整體。根據焊縫金屬的形狀和焊件相互位置的不同，分對接焊縫、角焊縫、塞焊縫和電鉚焊等；
焊接失效就是焊接接頭由于各種因素，在一定條件下斷裂（如：應力、溫度、材質、焊接質量和實際使用工況條件等）。接頭一旦失效，就會使相互緊密聯系成一體的構件局部分離、撕裂并擴展，造成焊接結構損壞，致使設備停機，影響正常生產。；
焊接失效
（1）因設計不合理，存在局部剛性過大，應力集中的現象。
（2）材料缺陷。鑄鋼件相對于軋制板材存在著沖擊韌度差，屈服強度低的特點，還有焊接工藝制定不合理、焊接規范的運用不當、焊接方法的選擇不正確等。
（3）焊工技術水平高低與焊接位置的好壞；還有焊接檢驗水平，包括對材質的檢驗和焊縫檢驗等。另外，環境溫度對焊接質量也是一個重要的影響因素。
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
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
!
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