ansys 厚殼 單元
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時(shí)間：2023-03-07
ansys 厚殼 單元的實(shí)例教程
厚板理論是平板彎曲的精確理論，即從 3D 彈性力學(xué)出發(fā)研究彈性曲面的精確表達(dá)式。
4. 薄殼理論的基本假定
也稱為 Kirchhoff-Love（克?；舴?勒夫）假定：
①薄殼變形前與中曲面垂直的直線，變形后仍然位于已變形中曲面的垂直線上，且其長(zhǎng)度保持不變。
②平行于中曲面的面素上的正應(yīng)力與其它應(yīng)力相比可忽略不計(jì)。
但上述假定同時(shí)假定了兩種不相容的變形狀態(tài)，即平面應(yīng)變和平面應(yīng)力狀態(tài)。因此許多學(xué)者提出了許多修正理論，但是只要是基于 Kirchhoff-Love 假定為基礎(chǔ)的薄殼理論，其精度都不會(huì)超過(guò) Kirchhoff-Love 理論的精度范圍。
為構(gòu)造協(xié)調(diào)的薄板殼單元，可采用多種方法，如增加自由度法、再分割法（也稱復(fù)合法）、離散克?；舴颍―iscrete Kirchhoff Theory）法等，但都適用于薄板殼結(jié)構(gòu)，也不考慮橫向剪切變形的影響。
5. 考慮橫向剪切變形的殼理論
可考慮橫向剪切變形影響的理論，一般稱為 Mindlin-Reissner 理論，是將 Reissner 關(guān)于中厚板理論的假定推廣到殼中。
ANSYS殼單元
薄板殼單元基于 Kirchhoff-Love 理論，即不計(jì)橫向剪切變形的影響；中厚板殼單元則基于 Mindlin-Reissner 理論，考慮橫向剪切變形的影響。
在 ANSYS中，SHELL 單元采用平面應(yīng)力單元和板殼彎曲單元的疊加。除SHELL63、SHELL51、SHELL61 不計(jì)橫向剪切變形外（可用于薄板殼分析），其余均計(jì)入橫向剪切變形的影響（可用于中厚板殼分析）。
展開(kāi) 在前面的兩篇文章中，已經(jīng)對(duì)Abaqus復(fù)合材料殼單元分析模型的傳統(tǒng)建模方法和快捷建模方法做了詳細(xì)的介紹。熟悉Abaqus復(fù)合材料分析的人都知道，在采用二維Lamina復(fù)合材料模型配合殼單元進(jìn)行分析時(shí)，材料參數(shù)中除了輸入兩個(gè)方向模量E1,E2，面內(nèi)泊松比及面內(nèi)剪切模量G12之外，還要額外輸入兩個(gè)面外剪切模量G13和G23，如下圖所示。
這里的面外剪切模量G13和G23就是用來(lái)考慮橫向剪切變形的。
一般，針對(duì)薄板結(jié)構(gòu)（跨厚比大于20），通常做以下假設(shè)（Kirchhoof假設(shè)）：
(1)平行于中面 的各層互不擠壓：即垂直于中面法向的正應(yīng)力很小，可以忽略。
(2)直法線假設(shè)：變形前垂直于中面的直線段，在變形后仍保持是直線，且仍垂直于變形后的中面。
(3)撓度沿板厚度方向的變化可以忽略，即統(tǒng)一厚度各點(diǎn)的撓度都 等于中面的撓度
(4)板的中面無(wú)伸縮和剪切變形
根據(jù)上述假設(shè)，板的橫向變形為零，相當(dāng)于垂直于中面的各個(gè)面內(nèi)剪切模量無(wú)窮大。薄板理論的假設(shè)在求解薄板問(wèn)題時(shí)，精度足以滿足工程計(jì)算要求。
但對(duì)于中厚板或者厚板、集中力作用點(diǎn)附近、薄板邊界周圍以及開(kāi)孔周圍，上述理論將不再適用，誤差大甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，因此為了解決此類問(wèn)題，便有了考慮剪切變形的中厚板理論。
那么在Abaqus分析中怎么考慮橫向剪切變形的影響呢？Abaqus默認(rèn)的復(fù)合材料模型定義及截面屬性定義中是已經(jīng)考慮了橫向剪切的，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算橫向剪切剛度。
而薄板、中厚板的區(qū)分在于單元類型，如下圖所示，S8R5為薄殼單元的一種，S8R為厚殼單元的一種，在設(shè)置單元屬性時(shí)會(huì)有明確的說(shuō)明：
現(xiàn)在，測(cè)試一下薄殼與厚殼計(jì)算結(jié)果的差異有多大。
展開(kāi) 在比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的有限元分析中，不同的結(jié)構(gòu)部件通常使用不同類型的單元來(lái)模擬。
通常情況下，不同類型的單元的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)目是不同的，不同類型單元的連接節(jié)點(diǎn)處的自由度的耦合問(wèn)題，是一個(gè)比較令人頭疼的問(wèn)題。
在ANSYS中通常可以用耦合命令CP來(lái)耦合不同類型單元在連接節(jié)點(diǎn)處的自由度(DOF)。
也可以用CE命令來(lái)認(rèn)為添加自由度之間的約束方程來(lái)達(dá)到耦合的目的。
下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的算例，使用了CE命令來(lái)耦合連接節(jié)點(diǎn)處的自由度。
模型是航天器的機(jī)翼的一個(gè)Section的某一個(gè)隔框。上下表皮是薄殼結(jié)構(gòu)，用Shell63單元來(lái)模擬，在上下表皮之間有起支撐作用的桿件，用link8單元來(lái)模擬。
建模的時(shí)候，link8單元和shell63單元在連接有各自獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)。即：link8單元和shell63單元的節(jié)點(diǎn)在連接處是重合的，但是，節(jié)點(diǎn)編號(hào)是各自獨(dú)立的。
link8單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 ux,uy,uz3個(gè)平動(dòng)自由度；
shell63在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有ux,uy,uz這3個(gè)平動(dòng)自由度和rotx,roty,rotz這3個(gè)轉(zhuǎn)個(gè)自由，共6個(gè)自由度。
在耦合節(jié)點(diǎn)處，兩個(gè)耦合節(jié)點(diǎn)的ux,uy,uz自由度應(yīng)該是相等的。
這個(gè)等式可以用CE命令來(lái)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(shí)常數(shù)；
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(guān)鍵點(diǎn)處生成節(jié)點(diǎn)；
nkpt,100,4 !與編號(hào)為117的節(jié)點(diǎn)耦合
nkpt,101,9 !
展開(kāi) 實(shí)體單元和殼單元之間的連接是ANSYS中常見(jiàn)的問(wèn)題。即使兩種單元之間共節(jié)點(diǎn)，但單元之間不連續(xù)（實(shí)體單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度，而殼單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度），對(duì)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(duì)實(shí)體-殼單元的連接方法進(jìn)行說(shuō)明。
1 單元類型
算例模型中，實(shí)體單元采用SOLID45，殼單元采用SHELL63，接觸位置不共節(jié)點(diǎn)。對(duì)于兩種單元之間的連接，通過(guò)目標(biāo)單元TARGE170和接觸單元CONTA175實(shí)現(xiàn)，定義約束為實(shí)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(biāo)單元和接觸單元
3 計(jì)算結(jié)果
圖3 von Mises stress
圖4 X-Component of displacement
付費(fèi)內(nèi)容為相關(guān)命令流。
展開(kāi) 例如采用ANSYS模擬一個(gè)多層混凝土框架結(jié)構(gòu)，一般除計(jì)算整體指標(biāo)外，我們?cè)谟?jì)算具體荷載作用時(shí)（如風(fēng)荷載、地震作用、恒載、活載等），樓板一般采用彈性版，此時(shí)可用殼單元模擬，主梁、次梁采用梁單元模擬，此時(shí)變?yōu)榱?em>單元包含在殼面內(nèi)的情況，當(dāng)然此類情況是否需要考慮截面偏置，可根據(jù)具體工程而定。
對(duì)這中梁單元包含在殼單元面內(nèi)的情況，只需要將梁單元與殼單元共用節(jié)點(diǎn)即可，而無(wú)須格外建立約束方程。
三、梁單元在殼單元內(nèi)但不包含
此種情況為梁與殼位于同一面內(nèi)，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(guò)剛性梁和剛性區(qū)域兩種方式連接。剛性梁采用MPC184單元，剛性區(qū)域采用Cerig命令，具體使用方法下期文章討論。
展開(kāi) 
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ansys 厚殼 單元的最新內(nèi)容
實(shí)體單元和殼單元之間的連接是ANSYS中常見(jiàn)的問(wèn)題。即使兩種單元之間共節(jié)點(diǎn)，但單元之間不連續(xù)（實(shí)體單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度，而殼單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度），對(duì)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(duì)實(shí)體-殼單元的連接方法進(jìn)行說(shuō)明。
1 單元類型
算例模型中，實(shí)體單元采用SOLID45，殼單元采用SHELL63，接觸位置不共節(jié)點(diǎn)。對(duì)于兩種單元之間的連接
對(duì)于厚度尺寸相對(duì)于其他幾何尺寸較小的結(jié)構(gòu)，我們常常采用殼單元來(lái)代替三維實(shí)體單元進(jìn)行分析。殼單元模型雖然不像三維實(shí)體模型那樣更接近真實(shí)模型，但其單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，計(jì)算量小，在工程中對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，采用殼單元能大大降低工作量和計(jì)算難度。
在建立殼單元模型時(shí)，我們需要輸入殼的厚度值，該厚度值可以在DM中設(shè)置，也可以在Mechanical中設(shè)置。DM中僅允許輸入常量厚度值（即等厚度
在前面的兩篇文章中，已經(jīng)對(duì)Abaqus復(fù)合材料殼單元分析模型的傳統(tǒng)建模方法和快捷建模方法做了詳細(xì)的介紹。熟悉Abaqus復(fù)合材料分析的人都知道，在采用二維Lamina復(fù)合材料模型配合殼單元進(jìn)行分析時(shí)，材料參數(shù)中除了輸入兩個(gè)方向模量E1,E2，面內(nèi)泊松比及面內(nèi)剪切模量G12之外，還要額外輸入兩個(gè)面外剪切模量G13和G23，如下圖所示。
這里的面外剪切模量G13和G23
前面文章主要講解了2d梁?jiǎn)卧c2d實(shí)體單元的剛接問(wèn)題，今日主要講解3d梁?jiǎn)卧c殼單元的剛接問(wèn)題。前面文章有講，梁?jiǎn)卧齊OtZ外與殼單元有5個(gè)自由度物理意義相同，因而，當(dāng)需要考慮梁?jiǎn)卧c殼單元的剛接問(wèn)題時(shí)，只需考慮該自由度與殼單元其他自由度的約束方程。具體處理方式可根據(jù)實(shí)際情況采用不同的處理方法。
3d梁?jiǎn)卧c殼單元?jiǎng)傂赃B接按照位置關(guān)系的不同，可分為三類：
部分朋友反應(yīng)在采用殼單元進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)不知如何提取殼單元的截面內(nèi)力，今日水哥就殼單元的截面內(nèi)力提取方法簡(jiǎn)單說(shuō)明下，供諸君參考一二。
首先講講殼單元的應(yīng)力和內(nèi)力輸出。
薄殼單元和中厚板殼單元應(yīng)力和內(nèi)力的輸出項(xiàng)目不盡相同，對(duì)于薄殼單元如 SHELL63 就不輸出次要應(yīng)力（τxz、τyz）和內(nèi)力（Nx、Ny），而中厚板殼單元?jiǎng)t輸出這些應(yīng)力和內(nèi)力。
注意，殼單元的內(nèi)力輸出均是相對(duì)于單元坐標(biāo)系
板殼彎曲理論簡(jiǎn)介
1. 板殼分類
按板面內(nèi)特征尺寸與厚度之比劃分：
當(dāng) L/h < (5~8) 時(shí)為厚板，應(yīng)采用實(shí)體單元。
當(dāng) (5~8) < L/h < (80~100) 時(shí)為薄板，可選 2D 實(shí)體或殼單元
當(dāng) L/h > (80~100) 時(shí)為薄膜，可采用薄膜單元。
殼類結(jié)構(gòu)按曲率半徑與殼厚度之比劃分
ANSYS巧用殼單元給實(shí)體劃分六面體網(wǎng)格
1 概述
眾所周知，ANSYS經(jīng)典劃分網(wǎng)格的功能比較弱，映射劃分（Map）和掃掠劃分(Sweep)對(duì)幾何形狀的要求都十分高。而四面體網(wǎng)格一方面導(dǎo)致單元數(shù)目多余六面體，一方面給計(jì)算后處理帶來(lái)一定的不便。
有些情況下，幾何模型的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致即使再怎么對(duì)模型進(jìn)行切分都不可能掃掠出六面體網(wǎng)格，這種情況下，可以巧妙地利用殼單元。
ANSYS經(jīng)典里對(duì)于一個(gè)平面，劃分網(wǎng)格非常簡(jiǎn)單
ANSYS巧用殼單元給實(shí)體劃分六面體網(wǎng)格
1 概述
眾所周知，ANSYS經(jīng)典劃分網(wǎng)格的功能比較弱，映射劃分（Map）和掃掠劃分(Sweep)對(duì)幾何形狀的要求都十分高。而四面體網(wǎng)格一方面導(dǎo)致單元數(shù)目多余六面體，一方面給計(jì)算后處理帶來(lái)一定的不便。
有些情況下，幾何模型的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致即使再怎么對(duì)模型進(jìn)行切分都不可能掃掠出六面體網(wǎng)格，這種情況下，可以巧妙地利用殼單元。
ANSYS經(jīng)典里對(duì)于一個(gè)平面，劃分網(wǎng)格非常簡(jiǎn)單
ANSYS巧用殼單元給實(shí)體劃分六面體網(wǎng)格
1 概述
眾所周知，ANSYS經(jīng)典劃分網(wǎng)格的功能比較弱，映射劃分（Map）和掃掠劃分(Sweep)對(duì)幾何形狀的要求都十分高。而四面體網(wǎng)格一方面導(dǎo)致單元數(shù)目多余六面體，一方面給計(jì)算后處理帶來(lái)一定的不便。
有些情況下，幾何模型的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致即使再怎么對(duì)模型進(jìn)行切分都不可能掃掠出六面體網(wǎng)格，這種情況下，可以巧妙地利用殼單元。
ANSYS經(jīng)典里對(duì)于一個(gè)平面，劃分網(wǎng)格非常簡(jiǎn)單
! Analysis a box beam section with shell elements of ANSYS
! 用ansys的殼體單元分析箱梁
! Box dimension: 10*4*4m with shell thickness of 0.04m
! By Lu Xinzheng, Depart. Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing
