1、科學(xué)技術(shù) 2010.8 83ANSYS 建模中單元類型的選擇及實(shí)例應(yīng)用田 水鐵嶺技師學(xué)院 遼寧 鐵嶺 112000【摘 要】本文對(duì)大型通用有限元軟件ANSYS 的單元類型進(jìn)行了分析,并以有限元模型為例進(jìn)行了分析,將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比。【關(guān)鍵詞】ANSYS 單元 實(shí)例1、引言目前,設(shè)計(jì)工作大多數(shù)是依靠設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而設(shè)計(jì)結(jié)果并非是最優(yōu)化的,也沒有一種方法去判斷其優(yōu)化的程度,例如,為了滿足強(qiáng)度要求,沒有特別注意其結(jié)構(gòu)質(zhì)量及尺寸等,從而影響整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分配。有限元分析是計(jì)算機(jī)誕生以后,在數(shù)學(xué)、力學(xué)和工程科學(xué)領(lǐng)域最有效的計(jì)算方法1。而目前最流行的有限元分析軟件ANSYS,當(dāng)你

2、開始建模時(shí)用戶將做多決定以確定如何來對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析目標(biāo)是什么;模型是全部或僅是物理系統(tǒng)的部分;模型將包含多少細(xì)節(jié);選擇什么樣的單位;有限元網(wǎng)格用多大的密度,總之,你將對(duì)要回答問題的計(jì)算費(fèi)用及結(jié)果進(jìn)行平衡考慮,你在規(guī)劃階段作出的這些決定將大體上控制你分析的成功與否。2、單元的分類2.1按形狀分類1點(diǎn)單元:幾何形狀為點(diǎn)型的結(jié)構(gòu),可用MASS 單元模擬,MASS 單元主要用于動(dòng)力學(xué)分析質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的模擬;2線單元:幾何形狀為線型結(jié)構(gòu),可用LINK、BEAM 模擬,LINK 單元用于桁架、螺栓、螺桿等連接件的模擬;BEAM 單元主要用于梁、螺栓、螺桿、連接件等的模擬;3面單元:PLANE、

3、SHELL;4體單元:SOLID。2.2按單元階次分類1線性單元:對(duì)于結(jié)構(gòu)分析問題,單元內(nèi)的位移數(shù)值按線性變化,因而每個(gè)單元的盈利狀態(tài)是保持不變的;2二次單元:對(duì)于結(jié)構(gòu)分析問題,單元內(nèi)的位移數(shù)值按二次函數(shù)變化,因此沒個(gè)單元內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)是線性變化的;3P 單元:對(duì)于結(jié)構(gòu)分析問題,單元內(nèi)的位移數(shù)值按二階到八階函數(shù)變化,而且具有求解收斂自動(dòng)控制功能,自動(dòng)確定各位置上應(yīng)采用的函數(shù)階數(shù)2。3 單元介紹 1MASS 單元:主要用于幾何形狀為點(diǎn)型且動(dòng)力學(xué)分析質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的模擬;2LINK 單元:用于桁架、螺栓、螺桿等連接件的模擬;3BEAM 單元:用于梁、螺栓、螺桿、連接件等的模擬;4PIPE 單元:用于管道

4、、管件等結(jié)構(gòu)的模擬;5COMBIN 單元:用于彈簧,細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件等的模擬;6SHELL 單元:主要用于薄板或曲面結(jié)構(gòu)的模擬,殼單元分析應(yīng)用的基本原則是每塊面板的主尺寸不低于其厚度的10倍;7PLANE 單元:用于總體之間坐標(biāo)系下X-Y 平面內(nèi)結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、軸對(duì)稱和諧結(jié)構(gòu)問題;8SOLID 單元:主要用于三維是實(shí)體結(jié)構(gòu)的模擬。下圖為幾種典型的應(yīng)用場(chǎng)合。圖1.LINK單元應(yīng)用圖2.BEAM單元應(yīng)用圖3.SHELL單元應(yīng)用圖4.SOLID 單元應(yīng)用4、單元類型通用選擇方法1設(shè)定無力場(chǎng)過濾菜單,將單元全集縮小到該物理場(chǎng)涉及的單元;2根據(jù)模型的幾何形狀選定單元的大類,如線性結(jié)構(gòu)則只能選擇LINK、

5、BEAM 等單元去模擬;3根據(jù)模型的空間維數(shù)細(xì)化單元的類型,如確定為“BEAM”單元大類后,在對(duì)話框的右欄中,有“2D”和“3D”的單元分類,則格局結(jié)構(gòu)的維數(shù)繼續(xù)縮小單元類型選擇的范圍;4確定單元的大類后,有時(shí)也可以根據(jù)單元階次來細(xì)分單元的小類,如確定維“Solid-Quad”此時(shí)有四種單元類型:Quad 4node 42、 Quad 4node 183、Quad 8node 82、Quad 8node 183,前兩組即為低階單元,后兩組則為高階單元;5根據(jù)單元的形狀細(xì)分單元的小類,如對(duì)三維實(shí)體,此時(shí)則可以根據(jù)單元形狀是“六面體”還是“四面體”,確定單元類型是“Brick”“Tet”;6根據(jù)分

6、析問題的性質(zhì)選擇單元類型,如確定為2D 的Beam 單元后,此時(shí)有三種單元類型可以選擇:2D elastic 3、2D plastic 23 、2D tapered 54,根據(jù)分析問題是彈性還是塑性確定是“Beam3”還是“Beam4”,若是變截面的非對(duì)稱的問題則用“Beam54”;7單元階次直接影響單元形函數(shù)的階次,一般說來。形函數(shù)階次越高,計(jì)算結(jié)果越精確,因而同線性單元相比,采用高階的單元類型可以得到相對(duì)較好的計(jì)算結(jié)果。8單元階次的選擇使用需要在計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模間衡量:9線性單元的嚴(yán)重扭曲變形可能引起計(jì)算精度的下降,而更高階的單元對(duì)這種扭曲變形不敏感,此時(shí)可考慮使用高階單元;10對(duì)于模型

7、中,有曲邊或曲面存在時(shí),通常推薦使用高階單元,以獲得較高的曲面精度;11單元階次對(duì)求解的精度影響,相對(duì)平面單元和三維實(shí)體單元之間簡(jiǎn)化的差別來說,影響要小的多,因而使用線性單元的場(chǎng)合比較多。5、結(jié)束語ANSYS 的單元庫提供了100多種單元類型,針對(duì)ANSYS 軟件特點(diǎn),本文結(jié)合具體實(shí)例,將單元的選擇范圍縮小到少數(shù)幾個(gè)單元上,并對(duì)兩種單元類型的選擇進(jìn)行了探索,提出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中可根據(jù)具體問題具體分析,使用最為適合的方法進(jìn)行選擇。參考文獻(xiàn) 1 劉淘、楊鳳鵬. 精通ANSYS,北京:清華大學(xué)出版社,2003:1124。2 劉國慶 楊慶東, ANSYS 工程應(yīng)用教程(機(jī)械篇,北京:中

8、國鐵道出版社;2004.03:34363 尚曉江 邱峰 ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用(第二版 ,北京:中國水利水電出版社;2008 .05 ANSYS建模中單元類型的選擇及實(shí)例應(yīng)用作者:田水作者單位:鐵嶺技師學(xué)院,遼寧,鐵嶺,112000刊名:中國科技縱橫英文刊名:CHINA SCIENCE & TECHNOLOGY PANORAMA MAGAZINE年,卷(期:2010,""(15被引用次數(shù):0次參考文獻(xiàn)(3條相似文獻(xiàn)(10條在實(shí)際中經(jīng)常會(huì)遇到三維連續(xù)體和薄壁板殼組成的結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行有限元分析的合理方案是將其分別離散為三維實(shí)體單元與板殼單元進(jìn)行計(jì)算

9、.即使這兩種單元在交接處有共用節(jié)點(diǎn),但由于節(jié)點(diǎn)自由度的不同而存在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不連續(xù)的問題,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差很大.ANsYs中約束方程法與MPC法都能夠?qū)崿F(xiàn)三維實(shí)體單元與板殼單元正確聯(lián)結(jié),文中分別說明了其原理與步驟,并結(jié)合算例的計(jì)算結(jié)果對(duì)兩種方法進(jìn)行了綜合比較,得出了在三維實(shí)體單元與板殼單元的組合建模中MPC法可取代約束方程法的結(jié)論.結(jié)合軸對(duì)稱問題的特點(diǎn)和實(shí)質(zhì),通過對(duì)一個(gè)軸對(duì)稱實(shí)例的求解與分析,對(duì)比得出采用二維平面單元求解軸對(duì)稱問題比采用三維實(shí)體單元具有更好的精度,且可以顯著節(jié)省建模及求解計(jì)算時(shí)間.以開V型坡口鋼板為例,利用ANSYS軟件對(duì)其焊接過程進(jìn)行有限元模擬,建立了合理的三維實(shí)體模型,

10、使用單元"生死"技術(shù)模擬焊接焊縫的依次生成.獲得了焊接溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論,得出計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合,說明ANSYS的單元生死技術(shù)能有效地模擬焊接過程,本方法對(duì)各種關(guān)鍵問題的處理比較得當(dāng).4.學(xué)位論文李妍基于ANSYS軟件的接觸問題分析及在工程中的應(yīng)用2004近年來,隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,帶動(dòng)了其他各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展。有限單元法也是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,目前在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,有限元計(jì)算結(jié)果為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析提供了可靠依據(jù)。ANSYS軟件正

11、是目前國際上著名的通用有限元軟件之一。ANSYS用戶涵蓋了機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。ANSYS是這些領(lǐng)域進(jìn)行國際國內(nèi)分析設(shè)計(jì)技術(shù)交流的主要分析平臺(tái)。從工程應(yīng)用的角度來講,它包括結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、屈曲分析、非線性分析、以及熱分析等,而ANSYS軟件中的接觸單元分析正是一種高度的非線性分析。接觸問題由于是一種高度的非線性行為,故需要較大的計(jì)算資源。為了進(jìn)行實(shí)為有效的計(jì)算,理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。在普通的有限元結(jié)構(gòu)分析中,只有對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件完全約束后,才能進(jìn)行求解運(yùn)算。因此,對(duì)于含有接觸問題的幾個(gè)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行分析

12、計(jì)算時(shí),就需要對(duì)計(jì)算的結(jié)構(gòu)件之間的接觸表面進(jìn)行簡(jiǎn)化,只能用邊界力和約束來代替與其它構(gòu)件的相互作用。在大多數(shù)的場(chǎng)合下,這種簡(jiǎn)化與實(shí)際應(yīng)用情況相差很大,會(huì)帶來很大的計(jì)算誤差。為了消除這種計(jì)算誤差,出現(xiàn)了有限元接觸分析方法。有限元接觸分析就是把有限元和接觸力學(xué)理論相結(jié)合而形成的方法。而ANSYS中的接觸單元分析方法就是一種有限元接觸分析方法。在本文中,首先簡(jiǎn)要的闡述了本研究課題所涉及的范圍,接觸單元分析的理論基礎(chǔ)及與有限單元法的關(guān)系,ANSYS中接觸單元分析特點(diǎn)及進(jìn)行接觸分析時(shí)所遇到的幾個(gè)常見問題。第二章以彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ),詳細(xì)地介紹了接觸單元理論,導(dǎo)出了兩個(gè)球體之間的接觸壓力及由此引起的應(yīng)力和變

13、形,給出了球體與平面相接觸、球體與球座相接觸的計(jì)算方法,同時(shí),對(duì)于兩任意彈性體接觸的討論,得到了接觸面上壓力分布的公式。第三章主要介紹了ANSYS中的接觸單元用法,講了有限元的基本知識(shí)和典型分析步驟;對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹;重點(diǎn)闡述了在ANSYS中如何應(yīng)用接觸單元來分析問題,接觸問題分為兩種基本類型:剛體柔體的接觸,柔體柔體的接觸,在給接觸問題建模時(shí),首先必須認(rèn)識(shí)到模型中的哪些部分可能會(huì)相互接觸,如果相互作用的其中之一是一點(diǎn),模型的對(duì)應(yīng)組元是一個(gè)結(jié)點(diǎn)。如果相互作用的其中之一是一個(gè)面,模型的對(duì)應(yīng)組元是單元,有限元模型通過指定的接觸單元來識(shí)別可能的接觸對(duì),接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之

14、上的一層單元,ANSYS使用的接觸單元有點(diǎn)點(diǎn)接觸單元、點(diǎn)面接觸單元、面面接觸單元,本文對(duì)這三種接觸單元的分析方法和分析步驟都做了介紹。第四章詳細(xì)討論了接觸問題分析在工程中的應(yīng)用,給出了彈簧卡子在插入和拉出卡座全過程中應(yīng)力的變化情況;對(duì)雙耳鉸支座進(jìn)行了三種情況采用不同的單元類型、軸采用不同直徑、軸有公差和無公差的討論,給出了接觸面上的應(yīng)力值;對(duì)半瓦鉸支座計(jì)算了兩種不同工況受扭和受壓時(shí)的接觸面應(yīng)力;起重機(jī)車輪與平面軌道接觸應(yīng)力,并給出了鉸支座與輪壓?jiǎn)栴}的理論設(shè)計(jì)公式,以便作為檢驗(yàn)用ANSYS所得分析結(jié)果的一個(gè)參考。第五章根據(jù)以上所計(jì)算的工程實(shí)例,對(duì)接觸單元用法作了總結(jié),如下:1、在對(duì)彈簧卡子進(jìn)行有

15、限元接觸分析時(shí),把三維問題當(dāng)作二維問題來處理,計(jì)算模型作為平面應(yīng)力計(jì)算,這雖與實(shí)際上的三維模型不同但符合其實(shí)際的受力特點(diǎn)。在本例中又考慮了摩擦的影響,摩擦本身就使非線性分析的收斂變得困難,所以用這樣的處理方法是合理的且滿足精度要求。2、建立復(fù)雜的三維幾何模型時(shí),由于ANSYS軟件不是一個(gè)專門的建模軟件,建議對(duì)各部分零件采用專門的建模軟件(Solidworks2001建模,然后,利用兩種軟件的共同接口將各部分模型導(dǎo)入ANSYS,再將模型文件合并即可。3、幾何模型的產(chǎn)生、單元類型的選擇、網(wǎng)格的疏密等對(duì)計(jì)算結(jié)果都是有影響的,本文比較計(jì)算了雙耳鉸支座采用不同的單元類型(Solid45、Solid95計(jì)

16、算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在接觸問題分析中,用Solid95這種單元類型所計(jì)算的結(jié)果不理想,故不建議采用Solid95這種單元類型,因?yàn)榇朔N單元類型帶有中結(jié)點(diǎn),而在中結(jié)點(diǎn)處無法生成接觸單元。4、接觸區(qū)域的確定、接觸面的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常重要,因?yàn)樵谟?jì)算之前,并不知道那些面是接觸的、那些面是分開的;另外,在對(duì)兩個(gè)面作接觸時(shí),應(yīng)盡量保持其大小一致,如較大面與較小面接觸,也會(huì)產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果誤差。5、在對(duì)軸有公差和無公差的計(jì)算中發(fā)現(xiàn),法向接觸剛度對(duì)計(jì)算結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。因此,需要不斷地調(diào)整法向接觸剛度,使計(jì)算結(jié)果更趨于合理,避免法向接觸剛度過大或過小。6、本文計(jì)算了兩種不同的鉸支座在不同工況下的接觸應(yīng)力情況,所

17、得計(jì)算結(jié)果與理論設(shè)計(jì)值接近,其誤差在10%左右,這是因?yàn)樵贏NSYS中計(jì)算的結(jié)果,由于有幾何模型的產(chǎn)生、單元類型的選擇、網(wǎng)格疏密程度等因素的影響,其計(jì)算結(jié)果必然存在著一定的誤差,這種誤差在工程中是允許的,故而本文所得計(jì)算結(jié)果對(duì)工程實(shí)際具有一定的參考價(jià)值。7、在對(duì)車輪輪壓的計(jì)算中發(fā)現(xiàn),車輪受壓后橫截面由圓形變?yōu)闄E圓形,車輪下表面邊緣在變形后不進(jìn)入到平面軌道中,計(jì)算結(jié)果符合起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中許用接觸應(yīng)力表。 接觸問題分析是一種高度的非線性分析,在理論上,對(duì)于二維接觸應(yīng)力分析一般計(jì)算結(jié)果較理想,而三維接觸問題從理論上只是二維的擴(kuò)展,對(duì)于復(fù)雜的工程實(shí)際問題一般很難達(dá)到理想結(jié)果。但在本論文中,用ANSYS

18、接觸單元分析方法解決了工程中的鉸支座、輪壓等受力問題,符合其實(shí)際的受力特點(diǎn),而且結(jié)果比較理想,在工程上具有一定的實(shí)用價(jià)值。 接觸問題屬于待定邊界問題,大量地存在于機(jī)械工程、土木工程中。由于有限元接觸分析計(jì)算模型能夠較好地符合工程實(shí)際情況,所以,這種方法越來越引起人們的關(guān)注。但在目前的設(shè)計(jì)中大多將模型進(jìn)行了很大的簡(jiǎn)化,存在著較大的誤差,而且與本課題相近的學(xué)術(shù)成果理論還不成熟,本論文應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)工程中存在的接觸問題作了比較深入細(xì)致的分析,為其提供了一定的科學(xué)依據(jù),這種分析方法必將得到廣泛的應(yīng)用!利用面荷載的大小和作用方向2個(gè)表征量表示作用于模型外表面的力,利用ANSYS的SFGRAD命令定

19、義面荷載大小隨位置線性變化的荷載情況,基于ANSYS的參數(shù)數(shù)組和嵌入函數(shù)定義面荷載大小隨位置非線性變化的荷載情況,以覆蓋于所要施加荷載表面的表面效應(yīng)單元作為"管道",施加所需任意方向的面荷載.為研究ANSYS的幾何非線性性能,將桿的有限變形理論與ANSYS的樣板單元Link8單元的幾何非線性理論進(jìn)行對(duì)比.采用能反映桿的幾何非線性的躍變結(jié)構(gòu)算例,對(duì)有限變形理論的桿單元與Link8單元的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明:ANSYS的大變形計(jì)算只是一種近似的幾何非線性計(jì)算,其平衡方程式是不精確的,其計(jì)算結(jié)果也是不精確的.本文根據(jù)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn),擬用MCM技術(shù)對(duì)部分電路進(jìn)行集成

20、設(shè)計(jì),應(yīng)用ANSYS對(duì)該驅(qū)動(dòng)集成單元在不同對(duì)流情況下進(jìn)行熱仿真,模擬得到集成單元中的溫度分布及散熱狀況,分析結(jié)果表明在空氣強(qiáng)制對(duì)流情況下比空氣自然對(duì)流時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置內(nèi)的芯片最高結(jié)溫要低,散熱狀況較好,從而為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的集成設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).以開V型坡口鋼板為例,利用ANSYS軟件對(duì)其焊接過程進(jìn)行了有限元模擬,建立了合理的三維實(shí)體模型,使用單元"生死"技術(shù)模擬焊接焊縫的依次生成,獲得了焊接溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論.得出計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合,說明了ANSYS的單元生死技術(shù)能有效地模擬焊接過程,本方法對(duì)各種關(guān)鍵問題的處理比較得當(dāng).9.

21、學(xué)位論文蘇亞基于ANSYS的結(jié)構(gòu)有限元分析2007本文通過有限元方法,對(duì)某科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星的對(duì)地和大氣監(jiān)測(cè)雙頻輻射計(jì)(DREAM上的DAP箱體進(jìn)行了有限元建模和模態(tài)分析。在已有的CAD圖紙的基礎(chǔ)上,采用ANSYS軟件中的薄殼單元模擬箱體,梁?jiǎn)卧M加強(qiáng)筋,對(duì)筋板、連接條件和約束條件均進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化,從而建立了DAP箱體有限元模型,并對(duì)箱體進(jìn)行了有限元模態(tài)分析,得到了箱體的各階固有頻率和振型情況。DAP箱體的一階固有頻率為500.45Hzo結(jié)果有效地驗(yàn)證了輻射計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性(設(shè)計(jì)要求:固有頻率>100HZ,為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)提供了參考依據(jù),并論證了該箱體仍存在較大的優(yōu)化空間。此外,本文對(duì)碳纖維鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的物性參數(shù)進(jìn)行了討論和計(jì)算,并在此基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)合材料拋物面天線的熱應(yīng)力進(jìn)行了試算。具體工況為,對(duì)復(fù)合材料天線圓柱內(nèi)壁的部分面施加線性變化的溫度載荷(其變化范圍為:-110140.5,用間接法計(jì)算了此工況下天線的熱應(yīng)力,得出天線的應(yīng)力為:37.3Mpa,此時(shí)天線結(jié)構(gòu)的最大變形量為:0.104mm。本文的工作,為后續(xù)的更為復(fù)雜工況下的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力計(jì)算打下了基礎(chǔ)。10.學(xué)位論文朱虹基于ANSYS二次開發(fā)的輸液曲管的