ANSYS殼體單元建模
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時間：2023-03-07
ANSYS殼體單元建模的視頻教程
ANSYS Mechanical中殼體與實體單元連接技術(shù)
ANSYS Mechanical中殼體與實體單元連接技術(shù) 適用人群：具有ANSYS Mechanical基礎(chǔ)知識的用戶；參加ANSYS結(jié)構(gòu)工程師中級認證考試人員；土木工程專業(yè)相關(guān)人員 ANSYS Mechanical中殼體與實體單元連接技術(shù)（免費）【已結(jié)束】 直播時間：2022-09-27 19:30 本系列直播是ANSYS結(jié)構(gòu)工程師中級認證考試的第8次鋪面課程，在有限元分析中經(jīng)常會使用實體單元與殼體單元以滿足不同部位的分析要求
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ANSYS殼體單元建模的實例教程
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
!
展開 摘要：在LS-DYNA分析中經(jīng)常會使用實體單元與殼體單元以滿足不同部位的分析要求，這就存在殼與實體單元連接時自由度不匹配的問題。本文詳述三種不同的連接方法案例。如果不需要傳遞轉(zhuǎn)動可以使用合并節(jié)點法和約束法，合并節(jié)點法要求節(jié)點重合，計算效率最高，約束法不要求節(jié)點重合。接觸法可以傳遞轉(zhuǎn)動，接觸法使用最為靈活，消耗的計算資源較多。
殼體單元的每個節(jié)點只有３個沿著x、y和z方向的平動自由度UX、UY、UZ；在實體單元中，每個節(jié)點具有六個自由度：沿x、y 和z方向的平動自由度UZ、UY、UZ以及繞X、Y和Z軸的轉(zhuǎn)動自由度TOTX、TOTY、ROTZ。當實體單元和殼單元連接在一起共同工作時，即存在自由度不協(xié)調(diào)問題。
案例部分分為四步，第一步建立沒有連接的模型，后三步都是在第一步模型的基礎(chǔ)上進行連接。具體操作視頻請在技術(shù)鄰搜索“李安民”，關(guān)注我，收看視頻。
1.1 模型建立
1.1.1 幾何模型
Geometry->Solid->Box，在Creat Box對話框或者圖形視口（Graphics Viewport）輸入實體單元尺寸，如果所示，點擊Apply關(guān)閉完成長方體。
Geometry->Surface->Plane，在Create Plane輸入如下圖所示的參數(shù)，點擊Appley生成平面。
1.1.2 網(wǎng)格劃分
FEM->Element and Mesh->Solid Mesher對實體網(wǎng)格劃分，填入Elem Size為0.5，點擊Try Meshing Automatically，若不滿意可以點擊Reject拒絕，再從新調(diào)整尺寸等參數(shù)，確認無誤，點擊Accept。
展開 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 （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 土木計算過程中常用的單元和材料類型。
一、單元
（1）link(桿)系列：
link1(2D)和link8(3D)用來模擬珩架，注意一根桿劃一個單元。
link10用來模擬拉索，注意要加初應(yīng)變，一根索可多分單元。
link180是link10的加強版，一般用來模擬拉索。
（2）beam(梁)系列：
beam3(2D)和beam4(3D)是經(jīng)典歐拉梁單元，用來模擬框架中的梁柱，畫彎據(jù)圖用etab讀入smisc數(shù)據(jù)然后用plls命令。注意：雖然一根梁只劃一個單元在單元兩端也能得到正確的彎矩圖，但是要得到和結(jié)構(gòu)力學(xué)書上的彎據(jù)圖差不多的結(jié)果還需多分幾段。該單元需要手工在實常數(shù)中輸入Iyy和Izz，注意方向。
beam44適合模擬薄壁的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者變截面的構(gòu)件，可用"/eshape,1"顯示單元形狀。
beam188和beam189號稱超級梁單元，基于鐵木辛科梁理論，有諸多優(yōu)點：考慮剪切變形的影響，截面可設(shè)置多種材料，可用"/eshape,1"顯示形狀，截面慣性矩不用自己計算而只需輸入截面特征，可以考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，可以變截面（8.0以后），可以方便地把兩個單元連接處變成鉸接（8.0以后，用ENDRELEASE命令）。缺點是：8.0版本之前beam188用的是一次形函數(shù)，其精度遠低于beam4等單元，一根梁必須多分幾個單元。8.0之后可設(shè)置“KEYOPT(3)=2”變成二次形函數(shù)，解決了這個問題。可見188單元已經(jīng)很完善，建議使用。beam189與beam188的區(qū)別是有3個結(jié)點，8.0版之前比beam188精度高，但因此建模較麻煩，8.0版之后已無優(yōu)勢。
(3)shell(板殼)系列
shell41一般用來模擬膜。
shell63可針對一般的板殼，注意僅限彈性分析。
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本期云講堂我們邀請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)，在國家科技支撐計劃、多項國家自然科學(xué)基金面上項目以及大量橫向課題中廣泛使用有限元進行仿真分析。長期進行有限元分析的咨詢工作。擅長土木方面的建筑物、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
摘要：在LS-DYNA分析中經(jīng)常會使用實體單元與殼體單元以滿足不同部位的分析要求，這就存在殼與實體單元連接時自由度不匹配的問題。本文詳述三種不同的連接方法案例。如果不需要傳遞轉(zhuǎn)動可以使用合并節(jié)點法和約束法，合并節(jié)點法要求節(jié)點重合，計算效率最高，約束法不要求節(jié)點重合。接觸法可以傳遞轉(zhuǎn)動，接觸法使用最為靈活，消耗的計算資源較多。
殼體單元的每個節(jié)點只有３個沿著x、y和z方向的平動自由度UX、UY、UZ
【問題描述】
梁的尺寸如圖所示，在梁的2000*300表面上作用有大小為1MPa的壓力，兩端是直徑為150mm的圓柱面為支撐表面，要分析其應(yīng)力和變形情況。
【問題分析】
（1）該結(jié)構(gòu)左右對稱，只取一半分析。
（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
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
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
【問題描述】
梁的尺寸如圖所示，在梁的2000*300表面上作用有大小為1MPa的壓力，兩端是直徑為150mm的圓柱面為支撐表面，要分析其應(yīng)力和變形情況。
【問題分析】
（1）該結(jié)構(gòu)左右對稱，只取一半分析。
（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
土木計算過程中常用的單元和材料類型。
一、單元
（1）link(桿)系列：
link1(2D)和link8(3D)用來模擬珩架，注意一根桿劃一個單元。
link10用來模擬拉索，注意要加初應(yīng)變，一根索可多分單元。
link180是link10的加強版，一般用來模擬拉索。
（2）beam(梁)系列：
beam3(2D)和beam4(3D)是經(jīng)典歐拉梁單元
