ansys彈簧單元應(yīng)用的案例
北鯤云講堂 | 10月25日：ANSYS彈簧單元的應(yīng)用與建模過程
本期云講堂我們邀請(qǐng)到了李安民博士來為大家分享ANSYS彈簧單元的應(yīng)用與建模過程。
李安民博士：結(jié)構(gòu)工程專業(yè)高校教師，在讀博士研究生。從2009年開始從事有限元的應(yīng)用和教學(xué)，在國(guó)家科技支撐計(jì)劃、多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目以及大量橫向課題中廣泛使用有限元進(jìn)行仿真分析。長(zhǎng)期進(jìn)行有限元分析的咨詢工作。擅長(zhǎng)土木方面的建筑物、構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)分析與教學(xué)。目前從事人工智能結(jié)合有限元在工程方面的應(yīng)用研究。
通過三個(gè)案例說明彈簧單元的應(yīng)用，再通過過一個(gè)完整計(jì)算實(shí)例演示一步一步地說明如何建立彈簧單元。
直播期間，我們?yōu)橹辈ラg觀眾準(zhǔn)備了以下三大福利！
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展開 ABAQUS 彈簧單元的應(yīng)用
只有彈簧約束是不夠的，最上面圓盤會(huì)發(fā)生移動(dòng)，因此要給最上面的圓盤添加 x，y 方向的位移約束。但是對(duì)于最下面的圓盤來說，如果采用新局部坐標(biāo)系下自由度為 1 的接地彈簧，則需要約束住 x，y 方向的位移，如果采用全局坐標(biāo)系下自由度為 3 的接地彈簧機(jī)，則不需要任何約束，三個(gè)方向的彈簧就相當(dāng)于一種約束了，我計(jì)算的兩種設(shè)置的分析結(jié)果是一樣的，大家可以試試。
下面劃分網(wǎng)格，設(shè)全局大小為 0.2,（或者自己設(shè)定你想要的精度），我選的 sweep 方法，S4R單元，最后 mesh 一下即可
最后，建立一個(gè) job，提交，ok。
查看結(jié)果：
可以看到，最上面的圓盤向下壓縮，底部的圓盤也有微小變形。你可以使用動(dòng)畫來觀察動(dòng)態(tài)結(jié)果，看著彈簧向下壓縮還是挺好玩的
展開 ABAQUS彈簧單元應(yīng)用實(shí)例
建好后，用partition命令分割成如下圖所示，這樣比較好加彈簧，網(wǎng)格劃分也會(huì)更規(guī)則。兩個(gè)圓盤平行，相距5m，用彈簧單元連接。
如圖所示，上面的圓盤受壓，與下面的圓盤通過彈簧連接。下面的圓盤用接地彈簧約束住。這個(gè)例子可以很好的幫助初學(xué)者理解彈簧的使用方法和原理，具體操作步驟見pdf文件，命令流見inp文件。
ABAQUS彈簧單元應(yīng)用實(shí)例.pdf
Job-1.rar
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技術(shù)鄰?fù)扑]：
Abaqus 中創(chuàng)建零厚度cohesive單元的幾種方法
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鋼管混凝土落錘實(shí)驗(yàn)?zāi)M
展開 Ansys Workbench使用非線性彈簧單元模擬配合間隙 ￥10
問題：
工程中兩個(gè)零部件之間經(jīng)常會(huì)有配合間隙，Ansys Workbench中可以使用combin39號(hào)非線性單元，通過控制不同行程的彈簧剛度來模擬間隙配合。
模型示例：
設(shè)定支座與軸有1mm的配合間隙，在一端施加X向100N作用力，查看運(yùn)動(dòng)位移。
計(jì)算步驟：
1. 在間隙配合位置，建立jiont連接，放開X向平動(dòng)自由度。
2. 在間隙配合位置，建立spring連接，同時(shí)插入Commands 命令。
ET,_sid,39,0,0,0,1
R,_sid,0.95,1,1.05,10000
3. 查看計(jì)算結(jié)果，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至0.95mm后spring彈簧剛度值陡增限制了X向運(yùn)動(dòng)。
建議：
? 同一個(gè)連接區(qū)域不建議使用兩個(gè)重復(fù)的連接關(guān)系，即jiont連接和spring連接不要使用同一個(gè)區(qū)域。
? 本文對(duì)配合區(qū)域進(jìn)行分段處理，中間為spring連接，兩側(cè)為jiont連接
? 使用Remote Point點(diǎn)創(chuàng)建連接，需要打開Beta選項(xiàng)。
? 這種等效方式并不能良好的反應(yīng)間隙配合位置的應(yīng)力狀態(tài)，需要校核配合區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)還是需要使用接觸連接。
展開 
ANSYS中非線性彈簧單元39
考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移時(shí)，通常在鋼筋和混凝土的相應(yīng)結(jié)點(diǎn)之間設(shè)置聯(lián)結(jié)單元，為準(zhǔn)確地反映混凝土構(gòu)件的受力特性，可以采用ANSYS中三維非線性彈簧單元Combin39作為鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)單元，以模擬鋼筋-混凝土的粘結(jié)滑移關(guān)系。Combin39單元是一個(gè)具有非線性功能的彈簧單元，可對(duì)此單元輸入廣義的力-變形曲線以定義它的非線性行為。該單元包含2個(gè)節(jié)點(diǎn)，可用于一維、二維或三維的分析中，如圖1所示。鋼筋和混凝土的接觸面之間的相對(duì)移動(dòng)有法向、縱向切向和橫向切向三個(gè)方向，為全面考慮鋼筋混凝土連接面上的相互作用，在鋼筋和混凝土連接面上在每一對(duì)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間均分別建立三個(gè)非線性彈簧單元來模擬鋼筋與混凝土之間三個(gè)方向的相互作用。彈簧的模型如圖2所示。
展開 hypermesh-ansys聯(lián)合仿真之彈簧單元2 ￥1
圖1
壓縮機(jī)是空調(diào)主要的振動(dòng)元器件，壓縮機(jī)主體通過底部的若干個(gè)橡膠腳墊安裝在壓縮機(jī)安裝框架上，壓縮機(jī)的振動(dòng)主要通過兩個(gè)路徑傳遞給空調(diào)框架：1.通過橡膠墊傳遞給壓縮機(jī)安裝架然后進(jìn)一步傳遞給整機(jī)；2.通過壓縮機(jī)的吸排氣管傳遞給整機(jī)。需要平衡兩個(gè)路徑，來平衡整機(jī)振動(dòng)和管路振動(dòng)，傳遞給管路振動(dòng)能力較多時(shí)會(huì)增加管路泄漏的概率。
hypermesh-ansys聯(lián)合仿真之彈簧單元1
圖10 建立左側(cè)節(jié)點(diǎn)約束
圖11 建立右側(cè)節(jié)點(diǎn)約束
完成上述過程之后就建立了x方向單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，下面輸出ANSYS求解器的CDB文件，導(dǎo)入ANSYS-APDL進(jìn)行求解模態(tài)，因?yàn)橹挥衳方向自由度，所以只有一階固有頻率，通過理論計(jì)算公式可知固有頻率f=(k/m)^0.5/2π=15.915.
導(dǎo)入ANSYS求解發(fā)現(xiàn)求解得到的固有頻率與理論值一樣。
圖12 ANSYS固有頻率求解結(jié)果
ANSYS單元類型選擇方法 附ansys結(jié)構(gòu)單元與材料應(yīng)用手冊(cè)下載
六、單元類型選擇方法
7.進(jìn)行完前面的選擇工作，單元類型就基本上已經(jīng)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(cè)，進(jìn)行以下工作：
仔細(xì)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(shù)、單元關(guān)鍵項(xiàng)和載荷考慮；
了解單元的輸出數(shù)據(jù)；
下載地址：ansys結(jié)構(gòu)單元與材料應(yīng)用手冊(cè)
基于ANSYS Workbench 2024R2的非線性彈簧combin39單元的模擬 ￥50
對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中承受非線性彈簧單元Combin39的實(shí)際應(yīng)用。
在ANSYS Workbench里提供了兩種方法，一種是WB的雙向彈簧，輸入數(shù)據(jù)表格，其本質(zhì)上采用是LINK8單元進(jìn)行模擬，而不是非線性彈簧combin39。
而利用Combin39單元，需要建立彈簧單元后，插入命令流來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于只承受壓縮載荷的力-位移曲線，輸入到最后，是需要稍等小的正位移和正力數(shù)值。
ANSYS在片彈簧設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
ANSYS在片簧設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.pdf
問題：設(shè)一種復(fù)雜形狀的片彈簧，t=0.3，h=0.5，選用鈹青銅片，彈性模量為1.33e5，泊松比0.3；一端固定，另一端作鉸鏈?zhǔn)焦潭ǎ?em>彈簧的長(zhǎng)度為60，中心受2N的力，求其變形圖及最大彎曲應(yīng)力。
詳見附件
2020Ansys新單元：CABLE280纜索單元簡(jiǎn)介及應(yīng)用舉例
CABLE280單元是ANSYS 2020R1新推出的纜索單元，可以用來模擬拉索和電纜等中等至極細(xì)的以軸力為主的結(jié)構(gòu)，廣泛地應(yīng)用于海洋平臺(tái)、建筑和機(jī)械行業(yè)。
與其他線體單元（如LINK 180、BEAM 188、BEAM 189等）相比，CABLE 280采用了高階形函數(shù)，能實(shí)現(xiàn)良好的網(wǎng)格收斂性和較粗單元下良好的計(jì)算精度。
CABLE280是三維的二次三節(jié)點(diǎn)線單元，單元幾何構(gòu)成圖中包括I、J、K、L四個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)L為方位節(jié)點(diǎn)，可省略。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)x、y和z方向的平動(dòng)。即其不受彎矩，只有平移自由度，計(jì)算效率高。
▲ 圖1. CABLE280 Geometry
1、CABLE280是基于混合位移和軸力(U-F)函數(shù)：位移采用二階近似，軸力采用一階線性近似。當(dāng)求解高度非線性的靜力學(xué)或動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，需要使用迭代求解（NLGEOM,ON）。
2、CABLE280支持彈性、等向硬化、隨動(dòng)硬化、Chaboche硬化和蠕變；支持附加質(zhì)量、阻尼、抗壓剛度折減、粘性正則化和初始狀態(tài)。
l 附加質(zhì)量：可以對(duì)單元添加單位長(zhǎng)度的質(zhì)量（SECCONT ROL，ADDMAS）。
l 阻尼：可以定義非線性的阻尼系數(shù)（SECCONT ROL,,,CV1,CV2），用于表征流體環(huán)境的非線性阻尼效應(yīng)特性。
l 抗壓剛度折減：纜索非常柔軟幾乎不能受壓，實(shí)際抗壓剛度比較小，以抗拉剛度（EA）乘于系數(shù)進(jìn)行折減。
l 粘性正則化：纜索在受壓和受拉狀態(tài)之間切換，因?yàn)閯偠炔贿B續(xù)，可能出現(xiàn)的收斂困難。單元使用粘性正則化幫助收斂。
l 初始狀態(tài)：設(shè)置初始應(yīng)力或初始應(yīng)變，以保證求解的魯棒性。
展開 
ANSYS的MESH200單元應(yīng)用方法
ANSYS軟件是通用有限元分析軟件，越來越廣泛地應(yīng)用于我國(guó)的航空航天、機(jī)械制造、汽車交通、鐵道、能源、化工等領(lǐng)域。一個(gè)典型ANSYS分析過程分為3步驟：建立模型;加載并求解;查看分析結(jié)果。第1步建立模型常常花費(fèi)大量時(shí)間在如何給幾何模型劃分網(wǎng)格上，而ANSYS軟件提供的MESH200單元是專門用于劃分網(wǎng)格的輔助單元，本文將通過實(shí)例來說明MESH200單元的用法，為給幾何模型生成有限元模型提供參考。
0 前言
ANSYS軟件是通用有限元分析軟件，越來越廣泛地應(yīng)用于我國(guó)的航空航天、機(jī)械制造、汽車交通、鐵道、能源、化工等領(lǐng)域。一個(gè)典型ANSYS分析過程分為3步驟：建立模型;加載并求解;查看分析結(jié)果。第1步建立模型常常花費(fèi)大量時(shí)間在如何給幾何模型劃分網(wǎng)格上，而ANSYS軟件提供的MESH200單元是專門用于劃分網(wǎng)格的輔助單元，本文將通過實(shí)例來說明MESH200單元的用法，為給幾何模型生成有限元模型提供參考。
1 MESH200單元說明
MESH200單元是僅用來劃分網(wǎng)格的單元，它對(duì)計(jì)算結(jié)果毫無影響。這個(gè)單元用于以下幾種類型的操作：
多步驟的網(wǎng)格劃分，例如單元的擴(kuò)展要求從低一級(jí)的單元生成高一級(jí)的單元。
二維或三維空間中有或沒有中間節(jié)點(diǎn)的線的網(wǎng)格劃分。
三維空間中有或沒有中間節(jié)點(diǎn)的三角形、四邊形、四面體或六面體單元組成的面或體的網(wǎng)格劃分。
MESH200單元可以通過設(shè)置單元屬性來選擇它的幾何構(gòu)造及節(jié)點(diǎn)布置，具體地可以參照ANSYS幫助文件。
MESH200單元可以與任意其他單元一起使用。它不具有自由度、材料特性、實(shí)常數(shù)或荷載。一旦不需要該單元時(shí)，可以刪除或留在模型中，不影響計(jì)算結(jié)果。使用EMODIF命令可以將MESH200單元轉(zhuǎn)換為其他單元。
展開 ANSYS常用單元簡(jiǎn)介、分類及應(yīng)用 ￥1
<p>ANSYS單元庫為我們提供了上百種單元，按照點(diǎn)、線、面及體四種幾何應(yīng)用對(duì)象，可以將其分為四類。我們?cè)谶M(jìn)行項(xiàng)目分析時(shí)，單元類型選擇就是一項(xiàng)很重要的工作，這直接關(guān)乎到我們有限元模型的準(zhǔn)確性，仿真結(jié)果的精確度和可信度!所以在我們進(jìn)行分析前，務(wù)必要學(xué)習(xí)單元的基礎(chǔ)知識(shí)，了解不同單元的應(yīng)用場(chǎng)景和區(qū)別，這就是我們做好單元類型選擇的前提，做好CAE分析的基礎(chǔ)。</p><p>在我們平時(shí)的學(xué)習(xí)工作中，大概率是遇到一兩種單元類型，每種單元類型可能應(yīng)用到若干種不同的單元，但是我們使用最頻繁的也就幾種。此帖作為個(gè)人學(xué)習(xí)總結(jié)帖，旨在歸納總結(jié)，幫自己梳理思路，會(huì)在后期進(jìn)行補(bǔ)充和修正，暫不公開。</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/201809/b3f36241e9704c9e921accfe16a18181.png" title="6.png" alt="6.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/201809/b3f36241e9704c9e921accfe16a18181.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/201809/b3f36241e9704c9e921accfe16a18181.png?
展開 【JY】ANSYS Workbench在減隔震應(yīng)用分析中的單元積分技術(shù)筆記
并且在多物理場(chǎng)耦合分析也需要運(yùn)用在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)闇p隔震元件可能會(huì)面臨復(fù)雜的物理環(huán)境，如溫度變化、流體流動(dòng)等。有限元技術(shù)可以考慮這些多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)元件在實(shí)際工況下的性能。
黏滯阻尼器的固流耦合分析：
對(duì)于ABAQUS的單元介紹已經(jīng)做了詳盡，個(gè)人感覺固體力學(xué)上ABAQUS還是上手比較方便，而多場(chǎng)耦合、快速建模預(yù)估Workbench會(huì)方便一些，因人而異：
【JY】有限單元分析的常見問題及單元選擇
ANSYS Workbench就像一個(gè)科技界的“瑞士軍刀”，集合了各種強(qiáng)大的單元技術(shù)，為減隔震元件提供全面且準(zhǔn)確的分析支持。近期對(duì)于ANSYS Workbench進(jìn)行了學(xué)習(xí)，本文將對(duì)ANSYS Workbench 各類單元技術(shù)做一個(gè)筆記總結(jié)，便于為減隔震元件分析提供理論基礎(chǔ)。（畢竟Workbench大部分時(shí)候會(huì)自動(dòng)匹配相應(yīng)所需技術(shù)）
B-bar方法完全積分
Workbench中的B-bar方法是一種常用于處理低階單元完全積分的技術(shù)，也被稱為選擇性減積分策略。它是針對(duì)有限元分析（FEA）中的一種改進(jìn)方法，旨在提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。
在傳統(tǒng)的有限元分析中，低階單元（如線性單元）在處理不可壓縮材料或近似不可壓縮材料時(shí)，常常遇到體積鎖定問題。體積鎖定是指在近似不可壓縮材料的有限元模擬中，由于體積應(yīng)變被過度限制，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，B-bar方法被引入到ANSYS Workbench中。
B-bar方法的核心思想是在低階單元的完全積分過程中進(jìn)行選擇性減積分。它通過將高斯積分點(diǎn)處的體積應(yīng)變替換為單元的平均體積應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)變的軟化處理，從而防止了體積鎖定的發(fā)生。這種選擇性減積分的策略可以在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高計(jì)算的收斂性和效率。
展開 ANSYS的Follw201（隨動(dòng)荷載）單元的簡(jiǎn)單應(yīng)用
ANSYS的Follw201單元的簡(jiǎn)單應(yīng)用
ANSYS的Follw201單元是ansys的幾個(gè)特殊單元（比如mesh200）之一，稱為隨動(dòng)荷載單元。都知道在ansys里面施加壓力載荷pressure時(shí)，其實(shí)載荷是可以隨動(dòng)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(shí)則不能保證。Follw201單元便能解決這個(gè)問題。
Follw201單元是一個(gè)單節(jié)點(diǎn)的3D單元，具有六個(gè)自由度，只能夠覆蓋在既有單元節(jié)點(diǎn)上，而且節(jié)點(diǎn)必須具有3個(gè)平移自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，也即是只能用在梁單元和殼單元上，實(shí)體單元僅有三個(gè)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(huì)發(fā)生比較大的變形，面或線的法線方向可能發(fā)生比較大的變化，施加的載荷的方向是否隨動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響非常大。也就是用到此單元時(shí)會(huì)配對(duì)使用Nlgeon,on命令以打開大變形開關(guān)。如下圖所示為單元示意圖。
圖1
每個(gè)單元有兩個(gè)面，面1用于設(shè)定集中力的大小，面2用于設(shè)置力矩的大小，面的方向在應(yīng)用時(shí)是通過單元的實(shí)常數(shù)進(jìn)行定義的。
另外還需要注意，有限元求解的時(shí)候大部分是求解對(duì)稱矩陣，但隨動(dòng)荷載單元的應(yīng)用則包括了隨動(dòng)荷載剛化效應(yīng)，使剛度矩陣為非對(duì)稱的，因此需要采用非對(duì)稱求解器進(jìn)行計(jì)算。
下面是具體應(yīng)用，建一根梁單元，在梁的端部施加隨動(dòng)集中力。
/prep7
!定義參數(shù)
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(shí)常數(shù)，實(shí)常數(shù)1設(shè)置梁單元的參數(shù)
r,1,aa,iz,iz,b,b
r,2,,1.0
!
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