ansys 殼體單元連接的案例
ANSYS各類型單元連接專題講解（二）之桿與梁殼體單元的連接
前一篇文章主要介紹了單元之間連接的主要原則，今天開始主要從具體方面講解連接方法。
按照桿、梁、殼、實體的順序，先說說桿單元與各單元的連接方法。
那么什么時候需要用到桿單元與各種單元的連接呢？水哥稍微列舉下實際工程中需要考慮此類連接的例子。
案例一：工業(yè)廠房
此類結(jié)構(gòu)一般橫向跨度較大，屋頂采用鋼結(jié)構(gòu)形式，在具體模擬屋架時，此時各個桿件可看成鉸接，采用桿單元模擬。而下方框架柱則采用梁單元進行模擬，在相交部位則需要用到桿單元與梁單元的連接。
案例二：門廳鋼結(jié)構(gòu)雨棚
在具體模擬該結(jié)構(gòu)時，雨棚上方拉桿采用桿單元模擬，而下方的鋼梁采用梁單元模擬，混凝土框架柱可采用實體單元模擬。
一直以來，桿單元一般用于模擬桁架結(jié)構(gòu)的時候比較多，其特點是桿件兩端不考慮承受彎矩作用，節(jié)點只有平動自由度，是所有單元中最為簡單的一種。
桿單元分為2D桿單元和3D桿單元，2D桿單元節(jié)點只有Ux和Uy兩個平動自由度，而3D桿單元除了這兩個，還有Uz。其他單元，梁單元、殼單元、體單元都包含了這三個自由度，且具有相同的物理意義，按照前面一篇文章所介紹的連接總則，桿單元與其他單元連接時只需要共用節(jié)點即可，無需建立約束方程。
下面是一個簡單的類似雨棚案例，注意本案例各構(gòu)件尺寸僅為演示操作需要所擬，未經(jīng)仔細推敲，各工程大佬可忽略。
某屋外雨棚平面簡化模型如上，長度為4m，折算荷載為10 KN/m，雨棚梁采用工字型鋼I40，系桿截面面積為238.64mm^2，材料均為Q235，采用ANSYS模擬該結(jié)構(gòu)。
下面為建模過程
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展開 Ansys中級認證窗口課程：LS-DYNA中殼體與實體單元連接技術(shù)應(yīng)用
1.5 總結(jié)
對于殼體與實體的連接的數(shù)量較少且網(wǎng)格劃分規(guī)整時，使用合并節(jié)點法好約束法，其中合并節(jié)點法只能約束平動位移不能約束轉(zhuǎn)動位移。當連接數(shù)量較多或連接部位網(wǎng)格劃分不規(guī)整時，采用接觸的裝配則更簡便快捷。
ANSYS各類型單元連接專題講解（三）之梁與殼體鉸接
前面一篇文章主要講解了桿單元與各類單元連接的基本情況，在很多時候，我們使用梁單元的頻率要遠遠大于桿單元，因而如何處理好梁單元與各類單元的連接是做好仿真模擬的關(guān)鍵。
梁單元與桿單元不同之處在于節(jié)點除了有平動自由度之外，還附加有轉(zhuǎn)動自由度。針對2D梁單元，節(jié)點具有Ux、Uy以及Rotz三個自由度；針對3D梁單元，節(jié)點具有Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty、Rotz以及WaRp(僅Beam18x系列單元)。
板殼單元實際上具有五個自由度，分別為Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty，但很多時候引入了第六個面內(nèi)轉(zhuǎn)動Rotz，但值得注意的是該自由度的含義與梁單元的Rotz含義并不相同。
2D實體單元節(jié)點自由度僅有Ux、Uy，3D實體單元節(jié)點自由度包含Ux、Uy、Uz。
從上面可見，不同單元類型其節(jié)點自由度的數(shù)目以及含義不一樣，因而在處理單元連接時，需根據(jù)實際情況分不同種類來確定其連接方法。但就梁單元而言，與各單元類型的連接可分為如下情況：
1）梁單元與殼、實體單元鉸接；
2）2D梁單元與2D實體單元剛接；
3）3D梁單元與殼單元剛接；
4）3D梁單元與3D實體單元剛接；
本篇介紹梁單元與殼、體單元的鉸接問題。
從上面介紹的三種單元節(jié)點自由度類型可見，梁單元與體單元節(jié)點的平動自由度物理意義相同，因此如果需實現(xiàn)梁單元與實體單元的鉸接，兩者共用節(jié)點即可；也可兩者無共用節(jié)點，但具有重合節(jié)點時，直接耦合節(jié)點的平動自由度。
然殼單元與梁單元的節(jié)點自由度除了Rotz有所不同外，其余5個自由度皆具有相同的物理意義，因而當梁單元與殼單元具有公共節(jié)點時，可認為是除了Rotz外的一種剛性連接，例如最常見的建筑結(jié)構(gòu)梁板體系的模擬。
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，對初學(xué)者來說一直是個困擾，筆者在學(xué)習(xí)ANSYS的時候，也遇到了這個問題。今天開始，筆者將對ANSYS不同單元類型連接開設(shè)一個專題，仔細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）進行連接時，可以直接使用共節(jié)點連接；而不同自由度的單元連接時，需要建立約束方程。
注意：單元自由度的異同有兩個含義，即單元的自由度個數(shù)和自由度的物理意義。
為了給大家進行軟件操作演示，筆者隨便瞎編亂造了一個結(jié)構(gòu)：橫截面為10mm×10mm，長度為200mm的方形梁，底端開了一個直徑為5mm的孔，模型如下。
我們知道，細長結(jié)構(gòu)，我們可以使用Beam單元進行分析，可偏偏有好事者在一個完美的梁結(jié)構(gòu)上開了個孔，這樣直接導(dǎo)致我們無法對其整體使用Beam單元了，那這樣的結(jié)構(gòu)我們該如何處理呢？提供以下兩種方法：
方法一：對整個結(jié)構(gòu)使用Solid單元進行分析；
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，筆者建立了兩個靜力學(xué)項目：一個是全部使用Solid單元進行分析的模型
solid；另一個是使用Solid單元和Beam單元連接起來分析的
solid_beam。
打開workbench，建立兩個靜力學(xué)項目，分別命名為“solid”和“solid-shell”，并導(dǎo)入建立的幾何模型。
一、solid-beam計算。
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(jié)果發(fā)現(xiàn)：
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(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單元計算存在應(yīng)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(jié)點數(shù)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(jié)。
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展開 ANSYS各類型單元連接專題講解（一）之連接總則
一直以來，有不少同學(xué)咨詢水哥關(guān)于ANSYS中桿單元、梁單元、殼單元、實體單元的連接問題。之所以要用到各單元的連接，主要是由于我們在實際項目中，常常需要各種單元組合模擬，例如框架結(jié)構(gòu)計算中的框架柱、框架梁采用梁單元模擬，樓板采用殼單元模擬，如此便會產(chǎn)生各類型單元之間的連接問題。
為解決部分朋友們的疑問，水哥依自己的理解將從以下幾個方面系統(tǒng)講解下ANSYS中桿單元、梁單元、殼單元、實體單元的連接，其中若有不合理之處，還望各位朋友批評指正。
本系列講解目錄如下：
1、單元連接總原則。
2、桿與梁、殼、體單元的連接。
3、梁單元與實體單元鉸接。
4、2D梁單元與2D實體單元剛接。
5、3D梁單元與3D實體單元剛接。
6、殼單元與實體單元連接。
7、單元連接綜合實例。
本篇推文為該系列文章的首篇，主要說下ANSYS中單元連接總的原則以及簡單介紹兩個概念。
一般來說，按“桿梁殼體”單元順序，只要后一種單元的自由度完全包含前一種單元的自由度，則只要有公共節(jié)點即可，不需要約束方程，否則需要耦合自由度與約束方程。
例如：
（1）桿與梁、殼、體單元有公共節(jié)點即可，不需要約束方程。
（2）梁與殼有公共節(jié)點即可，也不需要約束寫約束方程；殼梁自由度數(shù)目相同，自由度也相同，盡管殼的rotz是虛的自由度，也不妨礙二者之間的關(guān)系，這有點類同于梁與桿的關(guān)系。
（3）梁與體則要在相同位置建立不同的節(jié)點，然后在節(jié)點處耦合自由度與施加約束方程。
（4）殼與體則也要相同位置建立不同的節(jié)點 ，然后在節(jié)點處耦合自由度與施加約束方程。
從上述也可見，ANSYS無非是通過三種方法來實現(xiàn)單元之間的連接：共用節(jié)點、耦合、約束方程。
這里簡單介紹下耦合與約束方程的基本概念。
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需要注意的關(guān)鍵點。今天我們開始討論Solid-Shell單元的連接。
我們知道，Shell單元有6個自由度，而Solid單元只有3個自由度，因此不能通過簡單的共節(jié)點方法實現(xiàn)Solid-Shell單元的連接。下面我們通過一個實例，研究下在ANSYS中是怎么實現(xiàn)Solid-Shell單元連接的。
對簡單的薄壁結(jié)構(gòu)進行分析時，我們通常將其簡化成殼模型，可極大降低計算量，但在板上開一個階梯孔（如下圖），就沒法將其簡化成殼模型了，但如果主要研究階梯孔附近的應(yīng)力情況，且不能有太大的計算量，此時我們可以采用Solid-Shell模型實現(xiàn)。
為了對比計算結(jié)果，筆者采用兩種方法對該結(jié)構(gòu)進行分析：
方法一：對整個結(jié)構(gòu)使用
Solid單元進行分析；
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行抽中面處理。
展開 ANSYS APDL實體單元和殼單元（不共節(jié)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(jié)點，但單元之間不連續(xù)（實體單元每個節(jié)點有3個平動自由度，而殼單元每個節(jié)點有3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)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(jié)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(xiàn)，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(jié)果
圖3 von Mises stress
圖4 X-Component of displacement
付費內(nèi)容為相關(guān)命令流。
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(jié)構(gòu)，一般除計算整體指標外，我們在計算具體荷載作用時（如風(fēng)荷載、地震作用、恒載、活載等），樓板一般采用彈性版，此時可用殼單元模擬，主梁、次梁采用梁單元模擬，此時變?yōu)榱?em>單元包含在殼面內(nèi)的情況，當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)點即可，而無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 ANSYS各類型單元連接專題講解（四）之2D梁與2D實體單元剛接
前面文章主要講解了梁單元與其他類型單元鉸接的情況，從本篇文章開始，將主要講解梁單元與各類單元剛接的情況，而這也是我們?nèi)粘９こ讨斜容^常見的一種連接方式。
首先從2D平面單元單元開始說起。
盡管現(xiàn)在的ANSYS版本已經(jīng)摒棄了很古老的2D梁單元，改用Beam18x系列單元代替，但為究其連接方法，這類方面仍具有一定的講解價值，例如我們計算一榀框架的時候多數(shù)時候是采用2D平面單元的。
2D梁單元包括：beam3、beam23、beam54
2D實體單元：plane單元
一般來講，2D梁單元與2D實體單元剛接一般分為三種方法：
1）約束方程法；2）偽梁法；3）MPC法。
三種方法的連接原理無非是建立自由度之間的關(guān)系方程，但值得注意的是由于采用了局部區(qū)域的節(jié)點，因而在建立關(guān)系的局部區(qū)域內(nèi)可能會有應(yīng)力集中的情況，后處理當中應(yīng)格外注意。
約束方程法后續(xù)講解3D梁單元連接時會詳細說明，此處簡單說下偽梁法與MPC法。
其實偽梁法與MPC法原理基本一樣，構(gòu)造一個虛擬梁單元，使虛擬梁單元與外部梁單元剛接，虛擬梁單元與內(nèi)部實體單元強制剛接，從而間接實現(xiàn)外部梁單元與實體單元的剛接效果。
使用偽梁法需注意的是，在建立虛擬梁單元時，虛擬梁單元應(yīng)至少與實體單元的兩個節(jié)點相連，剛度可取為無窮大或者實際梁單元的10^5倍。
下面以一個小案例來演示。
如上圖所示，兩塊小鋼板中間靠一小鋼梁連接，小鋼梁上有均布荷載，尺寸如上所示，均以mm計，中間鋼梁所受均布荷載為10KN/m,采用ANSYS模擬該情況。
展開 基于ANSYS經(jīng)典界面的實體-板單元連接建模
（2）中間空心部分使用殼單元，邊上實心部分使用實體單元。
（3）上述兩種單元需要建立連接關(guān)系。實心單元每個節(jié)點有3個自由度，而殼單元每個節(jié)點有6個自由度，如何建立連接關(guān)系呢？ANSYS提供了SHSD命令來建立這種連接。要使用該命令，首先需要創(chuàng)建接觸對，并且要對目標-接觸單元的關(guān)鍵字進行設(shè)置。下面的絕大多數(shù)操作都是圍繞該命令進行的。
【求解步驟】
1.前處理
1.1 創(chuàng)建單元
/PREP7
ET,1,SOLID187
ET,2,SHELL181
ET,3,TARGE170
KEYOPT,3,5,1
ET,4,CONTA175
KEYOPT,4,2,2
KEYOPT,4,12,5
上述命令分別定義了4種單元。
第1種是實體單元，第2種是殼單元，他們分別用于建模上述梁的實體部分和空心部分。
第3-4種則是用于模擬接觸部分，就是實體與空心的接觸部分。
這里對于這兩種單元均設(shè)置了關(guān)鍵字，這些關(guān)鍵字的設(shè)置是使用后面的命令“SHSD”所必須的。
1.2 創(chuàng)建實常數(shù)
R,1,0.02
R,2
R,3
R,4
R,5
這里創(chuàng)建了5個實常數(shù)。
第1個實常數(shù)用于定義空心梁的厚度
第2-5個實常數(shù)分別用于定義4個接觸對。
1.2 創(chuàng)建材料類型
MP,EX,1,2e11
MP,PRXY,1,0.3
上述命令定義了材料的彈性模量和泊松比。
1.3 創(chuàng)建中間的空心梁
/VIEW,1,1,1
BLOCK,-0.14,0.14,-0.14,0.14,0,0.98
VDELE,1,,,0
ADELE,1,2,1,1
上述命令首先創(chuàng)建了一個長方體，
然后刪除了體本身，留下構(gòu)成長方體的面，線和關(guān)鍵點。
最后又刪除了兩端的面。
結(jié)果如下圖。
展開 
基于ANSYS經(jīng)典界面的實體-板單元連接建模
（2）中間空心部分使用殼單元，邊上實心部分使用實體單元。
（3）上述兩種單元需要建立連接關(guān)系。實心單元每個節(jié)點有3個自由度，而殼單元每個節(jié)點有6個自由度，如何建立連接關(guān)系呢？ANSYS提供了SHSD命令來建立這種連接。要使用該命令，首先需要創(chuàng)建接觸對，并且要對目標-接觸單元的關(guān)鍵字進行設(shè)置。下面的絕大多數(shù)操作都是圍繞該命令進行的。
【求解步驟】
1.前處理
1.1 創(chuàng)建單元
/PREP7
ET,1,SOLID187
ET,2,SHELL181
ET,3,TARGE170
KEYOPT,3,5,1
ET,4,CONTA175
KEYOPT,4,2,2
KEYOPT,4,12,5
上述命令分別定義了4種單元。
第1種是實體單元，第2種是殼單元，他們分別用于建模上述梁的實體部分和空心部分。
第3-4種則是用于模擬接觸部分，就是實體與空心的接觸部分。
這里對于這兩種單元均設(shè)置了關(guān)鍵字，這些關(guān)鍵字的設(shè)置是使用后面的命令“SHSD”所必須的。
1.2 創(chuàng)建實常數(shù)
R,1,0.02
R,2
R,3
R,4
R,5
這里創(chuàng)建了5個實常數(shù)。
第1個實常數(shù)用于定義空心梁的厚度
第2-5個實常數(shù)分別用于定義4個接觸對。
1.2 創(chuàng)建材料類型
MP,EX,1,2e11
MP,PRXY,1,0.3
上述命令定義了材料的彈性模量和泊松比。
1.3 創(chuàng)建中間的空心梁
/VIEW,1,1,1
BLOCK,-0.14,0.14,-0.14,0.14,0,0.98
VDELE,1,,,0
ADELE,1,2,1,1
上述命令首先創(chuàng)建了一個長方體，
然后刪除了體本身，留下構(gòu)成長方體的面，線和關(guān)鍵點。
最后又刪除了兩端的面。
結(jié)果如下圖。
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