壳单元连接体单元

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ANSYS各类型单元连接专题讲解(一)之连接总则

ANSYS各类型单元连接专题讲解（一）之连接总则一直以来，有不少同学咨询水哥关于ANSYS中杆单元、梁单元、壳单元、实体单元的连接问题。

之所以要用到各单元的连接，主要是由于我们在实际项目中，常常需要各种单元组合模拟，例如框架结构计算中的框架柱、框架梁采用梁单元模拟，楼板采用壳单元模拟，如此便会产生各类型单元之间的连接问题。

为解决部分朋友们的疑问，水哥依自己的理解将从以下几个方面系统讲解下ANSYS中杆单元、梁单元、壳单元、实体单元的连接，其中若有不合理之处，还望各位朋友批评指正。

本系列讲解目录如下：1、单元连接总原则。

2、杆与梁、壳、体单元的连接。

3、梁单元与实体单元铰接。

4、2D梁单元与2D实体单元刚接。

5、3D梁单元与3D实体单元刚接。

6、壳单元与实体单元连接。

7、单元连接综合实例。

本篇推文为该系列文章的首篇，主要说下ANSYS中单元连接总的原则以及简单介绍两个概念。

一般来说，按“杆梁壳体”单元顺序，只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度，则只要有公共节点即可，不需要约束方程，否则需要耦合自由度与约束方程。

例如：（1）杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。

（2）梁与壳有公共节点即可，也不需要约束写约束方程；壳梁自由度数目相同，自由度也相同，尽管壳的rotz是虚的自由度，也不妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。

（3）梁与体则要在相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

（4）壳与体则也要相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

从上述也可见，ANSYS无非是通过三种方法来实现单元之间的连接：共用节点、耦合、约束方程。

这里简单介绍下耦合与约束方程的基本概念。

一、耦合所谓耦合，其实是一种比较特殊的约束方程，只不过为了区别于普通一般的约束方程，方便用户操作，特定提出来的一个概念。

他具体指当我们需要迫使两个或多个自由度取得相同值（值未知）时，可以将这类自由耦合在一起。

有限元分析中常用单元类型与单位制

SOLID453-D结构实体单元产品：MP ME ST <> <> PR <> <> <> PP EDSOLID45单元说明solid45单元用于构造三维实体结构.单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。

有用于沙漏控制的缩减积分选项。

有关该单元的细节参看ANSYS, 理论参考中的SOLID45部分。

类似的单元有适用于各向异性材料的solid64单元。

Solid45单元的更高阶单元是solid95。

图 45.1 SOLID45几何描述SOLID45输入数据该单元的几何形状、结点位置、坐标系如图45.1: "SOLID45 几何描述"所示。

该单元可定义8个结点和正交各向异性材料。

正交各向异性材料方向对应于单元坐标方向。

单元坐标系方向参见坐标系部分。

单元荷载参见结点和单元荷载部分。

压力可以作为表面荷载施加在单元各个表面上，如图45.1: "SOLID45 几何描述"所示。

正压力指向单元内部。

可以输入温度和流量作为单元节点处的体载荷。

节点 I 处的温度 T(I) 默认为 TUNIF。

如果不给出其它节点处的温度，则默认等于 T(I)。

对于任何其它的输入方式，未给定的温度默认为 TUNIF。

对于流量的输入与此类似，只是默认值用零代替了TUNIF。

KEYOPT(1)用于指定包括或不包括附加的位移形函数。

KEYOPT(5)和KEYOPT(6)提供不同的单元输出选项（参见单元输出部分）。

当KEYOPT(2)=1时，该单元也支持用于沙漏控制的均匀缩减（1点）积分。

均匀缩减积分在进行非线性分析时有如下好处：∙相对于完全积分选项而言，单元刚度集成和应力（应变）计算需要更少的CPU时间，而仍能获得足够精确的结果。

∙当单元数量相同时，单元历史存储记录（.ESAV 和 .OSAV）的长度约为完全积分（2×2×2）的1/7。

总结一下ANSYS中不同单元之间的连接问题

论坛里常有人问不同单元之间的连接问题，我自己也一直被这个问题所困绕,最近从ANＳＹＳ工程分析进阶实例上知道了AＮSYS中不同单元之间的连接原则。

感觉收收获不小，现把它上传与大家共享。

一般来说，按“杆梁壳体”单元顺序，只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度，则只要有公共节点即可,不需要约束方程,否则需要耦合自由度与约事方程。

例如：(1)杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。

ﻫ（2)梁与壳有公共节点怒可,也不需要约束写约束方程;壳梁自由度数目相同,自由度也相同，尽管壳的ｒoｔz是虚的自由度，也不妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。

(3)梁与体则要在相同位置建立不同的节点,然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

(４)壳与体则也要相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

上面所述的不同单元之间的接连方法主要是用耦合自由度和约束方程来实现的,有一定的局限性,只适用于小位移，下面介绍一种支持大位移算法的方法，ＭＰC法。

MPC即Mｕｌtiｐoint Conｓtraｉｎt,多点约束方程,其原理与前面所说的方程的技术几乎一致,将不连续、自由度不协调的单元网格连接起来,不需要连接边界上的节点完全一一对应。

MPC能够连接的模型一般有以下几种。

ﻫsolid 模型-ｓoｌid模型ﻫsｈelｌ模型-ｓheｌｌ模型ｓolｉｄ模型-shell 模型ｓolｉd 模型-beaｍ模型shelｌ模型-bｅam模型ﻫ在ＡNSＹS中,实现上述MPC技术有三种途径。

ﻫ(1）通过MPC18４单元定义模型的刚性或者二力杆连接关系。

定义MＰC1８4单元模型与定义杆的操作完全一致，而MPC单(2）利用约束元的作用可以是刚性杆（三个自由度的连接关系)或者刚性梁(六个自由度的连接关系)。

ﻫ方程菜单路径Ｍain Meｎｕ>pｒeproceｓsor>Coupliｎｇ/Cｅqn>shelｌ／ｓｏｌid Ｉｎｔerface创建壳与实体模型之间的装配关系。

nastran单元类型

nastran单元类型Nastran是一款广泛使用的有限元分析软件，广泛应用于航空航天、汽车工程、结构工程等领域。

在Nastran中，不同类型的单元用于模拟不同种类的物理情况和结构问题。

本文将介绍Nastran中常用的单元类型及其应用。

1. 杆单元 (Beam elements)杆单元通常用于模拟线性材料的柱形或梁形结构。

它们是一维元素，适用于在某一方向上承受轴向、剪切力和弯曲力的构件。

常见的杆单元包括一维梁单元、梁壳单元和混合梁单元。

杆单元广泛应用于建筑结构、桥梁设计和机械设备等领域。

2. 壳单元 (Shell elements)壳单元用于模拟薄壁结构，例如壳体、板和薄膜。

壳单元是二维元素，具有较高的计算效率和适用性。

Nastran提供了多种类型的壳单元，如四节点和八节点壳单元，用于模拟不同形状和性质的结构。

壳单元广泛应用于汽车车身、飞机机翼和各种外壳设计中。

3. 固体单元 (Solid elements)固体单元用于模拟三维实体结构，例如实体零部件、机械设备和建筑物。

它们是三维元素，能够有效地处理复杂的力学特性和变形行为。

Nastran提供了多种类型的固体单元，如六面体单元和四面体单元，用于模拟不同类型的实体结构。

固体单元广泛应用于汽车发动机、建筑结构分析和材料研究等领域。

4. 声振单元 (Acoustic elements)声振单元用于模拟声学特性和振动问题。

它们是一种特殊类型的元素，适用于分析声场传播、噪声控制和声学振动等问题。

Nastran提供了声压、声速和声强等不同类型的声振单元。

声振单元广泛应用于汽车噪声、航空航天设备噪声和声学材料研究等领域。

5. 连接单元 (Connector elements)连接单元用于模拟不同结构之间的连接和约束关系，如焊缝、螺栓和弹簧等。

连接单元允许模拟结构件之间的刚性连接或柔性连接，以便更好地分析结构件之间的相互作用。

Nastran提供了多种类型的连接单元，用于模拟不同类型的连接关系。

梁与壳的连接

一、问题请教各位：在对有限元模型划分单元时，打算一部分用梁单元划分，另一部分用壳单元划分（如果全部用壳单元进行划分则计算时间太长，而且也没有必要）。

这样就出现了一个问题：梁单元和壳单元的节点不一样，变形不协调，给连接造成困难。

我查过一些资料，说不同单元之间的连接可以采用一种刚性杆或刚性片的单元（可能有些文献也称之为约束单元），但是具体怎么操作却没于明确说明，现想请教大家这个问题。

谢谢！答案：1 可以采用能CE的方法来建立约束方程，其实就是约束各节的协调变形2 可以建立刚性区域的方法，将梁单元与壳单元的连接处的壳单元的刚性改成无限大就可以了3 可以采用MPC184的刚性梁单元来处理，即在梁与壳的连接处建立一个刚性很大的梁单元来实现。

三、梁与壳体的连接2D 梁单元节点：UX、UY 和ROTZ；3D 梁单元节点自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ 及W ARP板壳单元实际具有5 个自由度：UX、UY、UZ、ROTX 和ROTY。

引入第6 个即面内转动自由度ROTZ，其意义与梁单元的ROTZ 不同。

2D实体单元节点自由度：UX 和UY；3D实体单元节点自由度：UX、UY 和UZ。

由于梁壳体单元节点的自由度个数或自由度物理意义不同，因此要考虑梁单元与板壳单元、体单元连接时的自由度问题。

梁与壳体的连接可分为如下4 种情况讨论：①梁单元与壳体单元铰接时的情况；②2D 梁单元与2D 实体单元刚接时的情况；③3D 梁单元与板壳单元刚接时的情况；④3D 梁单元与3D 实体单元刚接时的情况。

1. 梁单元与壳体单元铰接因梁单元平动自由度与实体单元平动自由度物理意义相同，因此当梁单元与实体单元铰接时，只要具有公共节点就无需约束方程；或者不具有公共节点但具有重合的节点时，直接耦合节点的平动自由度即可。

梁单元与板壳单元因有5 个自由度物理意义相同，因此当单元间具有公共节点时，不是铰接，而是除ROTZ 外的一种刚性连接。

MSC.Patran中体单元与壳单元的连接方法的探索

中体单元与壳单元的连接方法的探索*陈继华杜家政隋允康管昭（北京工业大学数值模拟中心）摘要：本文对用建立体壳混合模型时，就怎样使体壳连接边的节点相互对应协调；以及怎样解决因为体壳单元自由度不同而使得两者之间用Equivalence （节点相等）不能固定的问题进行了些使用上的摸索；同时对该软件在计算应力集中问题的可靠性进行了检验，为用本软件建模提供了些可借鉴的方法。

Research of joint solid-element & shell element in PATRANJihua Chen Jiazheng Du Yunkang Sui Zhao Guan(Numerical Simulation Center for EngineeringBeijing Polytechnic University)—Abstract ：This paper is about how to make nodes of the mutual edges of the solids and the shells to assort with each other and how to solve the problem which is aroused by the difference of the free degrees of the solid and the shell so that “Equivalence ” could not be used to solve it, when the compound model is founded by using . Moreover, the paper makes some practices to test the software ’s reliability of the calculational stress concentrate and gives some referenced methods for modeling with the software.一、前言在对一些工程实际问题建模时发现不能用单一的某种单元来处理，而是体、壳、梁或杆的混合模型。

总结一下不同单元之间的连接问题

总结一下不同单元之间的连接问题论坛里常有人问不同单元之间的连接问题，我自己也一直被这个问题所困绕，最近从ANSYS 工程分析进阶实例上知道了ANSYS中不同单元之间的连接原则。

感觉收收获不小，现把它上传与大家共享。

一般来说，按“杆梁壳体”单元顺序，只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度，则只要有公共节点即可，不需要约束方程，否则需要耦合自由度与约事方程。

例如：（1）杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。

（2）梁与壳有公共节点怒可，也不需要约束写约束方程；壳梁自由度数目相同，自由度也相同，尽管壳的rotz是虚的自由度，也不妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。

（3）梁与体则要在相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

（4）壳与体则也要相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

例如：杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。

梁与壳有公共节点即可，也不需要约束写约束方程；壳梁自由度数目相同，自由度也相同，尽管壳的rotz是虚的自由度，也不妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。

梁与体则要在相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

壳与体则也要相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

举例：有一长为100mm的矩形截面梁，截面为10X1mm，与一规格为20mmX7mmX10mm的实体连接，约束实体的端面，在梁端施加大小为3N的y方向的压力，梁与实体都为一材料，弹性模量为30Gpa，泊松比为0.3。

本例主要讲解梁与实体连接处如何利用耦合及约束方程进行处理。

命令流如下：FINI/CLE/FILNAME,BEAM_AND_SOLID_ELEMENTS_CONNECTION !定义工作文件名/TITLE,COUPLE_AND_CONSTRAINT_EQUATION !定义工作名/PREP7ET,1,SOLID95 !定义实体单元类型为SOLID95ET,2,BEAM4 !定义梁单元类型为BEAM4MP,EX,1,3E4 !定义材料的弹性模量MP,PRXY,1,0.3 !定义泊松比R,1 !定义实体单元实常数R,2,10.0,10/12.0,1000/12.0,10.0,1.0 !定义梁单元实常数BLC4,,,20,7,10 !创建矩形块为实体模型WPOFFS,0,3.5 !将工作平面向Y方向移动3.5WPROTA,0,90 !将工作平面绕X轴旋转90度VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开WPOFFS,0,5 !将工作平面向Y方向移动5WPROTA,0,90 !将工作平面绕X轴旋转90度VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开WPCSYS,-1 !将工作平面设为与总体笛卡儿坐标一致K,100,20,3.5,5 !创建关键点K,101,120,3.5,5 !创建关键点L,100,101 !连接关键点生成梁的线实体LSEL,S,LOC,X,21,130 !选择梁线LATT,1,2,2 !指定梁的单元属性LESIZE,ALL,,,10 !指定梁上的单元份数LMESH,ALL !划分梁单元VSEL,ALL !选择所有实体VATT,1,1,1 !设置实体的单元属性ESIZE,1 !指定实体单元尺寸MSHAPE,0,2D !设置实体单元为2DMSHKEY,1 !设置为映射网格划分方法VMESH,ALL !划分实体单元ALLS !全选FINI !退出前处理/SOLU !进入求解器ASEL,S,LOC,X,0 !选择实体的端面DA,ALL,ALL !约束实体端面ALLS !全选FK,101,FY,-3.0 !在两端施加Y向压力CP,1,UX,1,21 !耦合节点1和节点21X方向自由度CP,2,UY,1,21 !耦合节点1和节点21Y方向自由度CP,3,UZ,1,21 !耦合节点1和节点21Z方向自由度CE,1,0,626,UX,1,2328,UX,-1,1,ROTY,-ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !设置约束方程CE,2,0,67,UX,1,4283,UX,-1,1,ROTZ,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束方程CE,3,0,67,UZ,1,4283,UZ,-1,1,ROTX,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束方程ALLS !全选SOLVE !保存FINI !退出求解器/POST1 !进入通用后处理PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !显示Y方向位移PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !显示等效应力ETABLE,ZL1,SMISC,1 !读取梁单元上I节点X方向的力ETABLE,ZL2,SMISC,7 !读取梁单元上J节点X方向的力ETABLE,MZ1,SMISC,6 !读取梁单元上I节点Z方向的力矩ETABLE,MZ2,SMISC,12 !读取梁单元上J节点Z方向的力矩PLETAB,ZL1 !显示梁单元X方向的力PLETAB,MZ1 !显示梁单元Z方向力矩上面所述的不同单元之间的接连方法主要是用耦合自由度和约束方程来实现的，有一定的局限性，只适用于小位移，下面介绍一种支持大位移算法的方法，MPC法。

单元类型选择

1、三维实体单元的类型及应用选择ABAQUS 具有丰富的单元库，单元种类多达433 种，共分为分8 大类：连续体单元（continuum element，即实体单元solidelement）、壳单元、薄膜单元、梁单元、杆单元、刚体单元、连接单元和无限元。

另外，abaqus 还提供了针对特殊问题的特种单元：如针对钢筋混凝土结构或轮胎结构的加强筋单元，针对海洋工程结构的土壤/管柱连接单元和锚链单元等。

用户还可以通过用户子程序来建立自定义单元。

因为别的单元，到目前为止我接触了解的不够深，所以暂且在这个帖子里先说一下八大类单元中的连续体单元（continuum element，即实体单元solidelement）。

在ABAQUS中，基于应力/位移的实体单元类型最为丰富：（1）在ABAQUS/Sandard中，实体单元包括二维和三维的线性单元和二次单元，均可以采用完全积分或缩减积分，另外还有修正的二次Tri单元（三角形单元）和Tet单元(四面体单元)，以及非协调模式单元和杂交单元。

（2）ABAQUS/Explicit中，实体单元包括二维和三维的线性缩减积分单元，以及修正的二次二次Tri单元（三角形单元）和Tet单元(四面体单元)，没有二次完全积分实体单元。

按照节点位移插值的阶数，ABAQUS里的实体单元可以分为以下三类：线性单元（即一阶单元）：仅在单元的角点处布置节点，在各个方向都采用线性插值。

二次单元（即二阶单元）：在每条边上有中间节点，采用二次插值。

修正的二次单元（只有Tri 或Tet 才有此类型）：在每条边上有中间节点，并采用修正的二次插值。

1、线性完全积分单元当单元具有规则形状时，所用的高斯积分点的数目足以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确积分。

缺点：承受弯曲载荷时，会出现剪切自锁，造成单元过于刚硬，即使划分很细的网格，计算精度仍然很差。

2、二次完全积分单元优点：（1）应力计算结果很精确，适合模拟应力集中问题；（2）一般情况下，没有剪切自锁问题（shear locking）。

ANSYS中壳与实体单元连接技术应用_马云飞

8EI GA X=1m 处截面的最大正应力为 σ=0.165E+7N/m2 1.2 刚性梁连接方法壳与实体可通过刚性梁进行连接。悬臂梁在 X=0m 至 X=2m 范围内采用 Solid185 实体单元模拟，在 X=2m 至 X=4m 范围内采用 Shell181 壳单元模拟，两者之间采用三维梁单元 beam4 连接。Beam4 材料弹性模量 E 放大为 3.0E+20N/m2，密度 10kg/m3。因此 Beam4 的抗弯与抗剪刚度都很大，变形和质量可以忽略。由于 Beam4 与壳单元的每个节点都有 6 个自由度，因而可以传递转动自由度，通过刚性梁的刚体转动又可将壳节点的转动转化为实体单元节点的平动。模型如图 1 所示，壳单元与实体单元的尺寸均为 0.1m，图中粗线为刚性梁。本例中 — —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— ——
中图分类号：TU723.3
文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2013）14-0111-02
0 引言随着社会主义市场经济体制的不断完善和发展，建筑工程在市场经济的推动下蓬勃发展，建筑市场不断规范，公众的法制意识日益增强，建筑业中承发包双方因工程造价纠纷引起的仲裁及民事诉讼案件逐年增加，由此而产生的工程造价司法鉴定日益增多。工程造价司法鉴定是指依法取得有关工程造价司法鉴定资格的鉴定机构和鉴定人受司法机关或当事人委托，依据国家的法律、法规以及中央和省、自治区及直辖市等地方政府颁布的工程造价定额标准，针对某一特定建设项目的施工图纸及竣工资料来计算和确定某一工程价值并
论解误差分别为 -1.15%和-1.2%。
1 ELEMENTS
ΛNSYS
APR 5 2013 12:37:37

实体单元与板壳单元连接问题研究

实体单元与板壳单元连接问题研究
杨荣鹤;成凯;赵二飞;于成龙;王宁
【期刊名称】《建筑机械（下半月）》
【年(卷),期】2014(000)002
【摘要】在有限元分析中，经常遇到实体单元与板壳单元连接的问题，通过几种简化方式的对比，分析这类模型在复杂受力情况下的强度和刚度以及其受压时的稳定性，总结几种实用的简化方法。

【总页数】4页(P74-77)
【作者】杨荣鹤;成凯;赵二飞;于成龙;王宁
【作者单位】吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025;吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025;吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025;吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025;吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025
【正文语种】中文
【中图分类】TH122
【相关文献】
1.梁框三维实体单元与板壳单元的组合建模研究 [J], 梁荣娜;赵玺
2.有限元三维实体单元与壳单元的组合建模问题研究 [J], 高广军;田红旗;姚松
3.ANSYS中壳与实体单元连接技术应用 [J], 马云飞
4.钢引桥梁单元模型和实体单元模型建模分析 [J], 邱德阳;袁航;唐艺航
5.ANSYS三维实体单元与板壳单元的组合建模研究 [J], 谢元丕;冯刚
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ansys在处理体壳连接问题中的应用

在使用有限元进行结构分析时，还需要考虑结构的规模效应，不同的方法往往会对应不同建模规模的需要。下面就用两个不同建模规模的体壳组合结构模型用上述三种方法进行处理，来考虑三者处理实体单元和壳单元的连接问题精确程度的差异。
3.1 模型一（小规模连接模型）
模型一：如图 2 所示的悬臂梁，由一个短厚的块体（20m×10m×7m ）和一块非常长的薄板（100m×10m×1m ）在块体的中部连接而成，块体和板的弹性模量都是 3×1011pa, 泊松比为 0.3，在板的自由端施加垂直于板且大小为 600N/m 的均布荷载，求最大的位移与应力。
全部壳单元
8.0171
0.00
352800
2.00
解析解
8.0170
360000
从表 1 可以看出，对于小规模的，简单的体壳组合结构模型，三种方法都能够处理实体
单元和壳单元的连接问题，且处理结果与解析解的结果偏差较小, 一般处于误差范围之内。
3.2 模型二（大规模连接模型）
当对大型的体壳组合结构模型进行有限元分析时，如苏通大桥索塔锚固区的钢锚箱与混凝土塔壁组合结构，由于其结构的特殊性，在进行网格划分时，需要采用自由划分，此时在接触面上实体单元和壳单元的节点就可能不重合，且在接触面上生成的节点数量很大，属于大规模的接触问题，如图 3 所示。
其次定义接触单元和目标单元以组成“接触对”。“接触对”的接触单元必须建立在壳单元侧，目标单元建立在实体单元侧，接触单元和目标单元利用 ESURF 命令创建，它们通过共享实常数设置组成“接触对”。
-2-

2.3 用复合单元处理接触面
在实际生活中, 我们经常遇到图 1 所示结构的连接情况，即实体与板采用搭接的方式连接。

abaqus实体单元和壳单元

1．实体单元实体单元可‎在其任何表‎面与其他单‎元连接起来‎。

C3D:三维单元CAX:无扭曲轴对‎称单元，模拟360‎0的环，用于分析受‎轴对称载荷‎作用，具有轴对称‎几何形状的‎结构；CPE:平面应变单‎元，假定离面应‎变ε33为‎零，用力模拟厚‎结构；CPS:平面应力单‎元，假定离面应‎力σ33为‎零，用力模拟薄‎结构；广义平面应‎变单元包括‎附加的推广‎：离面应变可‎以随着模型‎平面内的位‎置线性变化‎。

这种数学描‎述特别适合‎于厚截面的‎热应力分析‎。

可以扭曲的‎轴对称单元‎：用来模拟初‎始时为轴对‎称的几何形‎状，且能沿对称‎轴发生扭曲‎。

这些单元对‎于模拟圆柱‎形结构，例如轴对称‎橡胶套管的‎扭转很有用‎。

反对称单元‎的轴对称单‎元：用来模拟初‎始为轴对称‎几何形状的‎反对称变形‎。

适合于模拟‎像承受剪切‎载荷作用的‎轴对称橡胶‎支座一类的‎问题。

如果不需要‎模拟非常大‎的应变或进‎行一个复杂‎的，改变接触条‎件的问题，则应采用二‎次减缩积分‎单元（CAX8R‎,CPE8R‎,CPS8R‎,C3D20‎R）如果存在应‎力集中，则应在局部‎采用二次完‎全积分单元‎（CAX8,CPE8,CPS8,C3D20‎等）。

对含有非常‎大的网格扭‎曲模拟（大应变分析‎），采用细网格‎划分的线性‎减缩积分单‎元（CAX4R‎,CPE4R‎,CPS4R‎,C3D8R‎等）对接触问题‎采用线性减‎缩积分单元‎或非协调元‎（CAX4I‎,CPE4I‎,CPS4I‎,C3D8I‎）的细网格划‎分。

如果在模型‎中采用非协‎调元应使网‎格扭曲减至‎最小。

三维情况应‎尽可能采用‎块状单元（六面体）。

当几何形状‎复杂时，完全采用块‎体单元构造‎网格会很困‎难，因此可能有‎必要采用稧‎形和四面体‎单元，但尽量少用‎，并远离需要‎精确求解的‎区域。

一些前处理‎程序包括网‎格划分方法‎，它们可用四‎面体单元构‎造任意形状‎的网格。

有限元网格划分

本文讨论了有限元网格的重要概念，包括单元的分类、有限元误差的分类与影响因素;并讨论分析结果的收敛性控制方法，并由实例说明了网格质量及收敛性对取得准确分析结果的重要性。

同时讨论了一些重要网格控制的建议及其他网格设定的说明。

一、基本有限元网格概念1.单元概述几何体划分网格之前需要确定单元类型。

单元类型的选择应该根据分析类型、形状特征、计算数据特点、精度要求和计算的硬件条件等因素综合考虑。

为适应特殊的分析对象和边界条件，一些问题需要采用多种单元进行组合建模。

2.单元分类选择单元首先需要明确单元的类型，在结构有限元分析中主要有以下一些单元类型：平面应力单元、平面应变单元、轴对称实体单元、空间实体单元、板单元、壳单元、轴对称壳单元、杆单元、梁单元、弹簧单元、间隙单元、质量单元、摩擦单元、刚体单元和约束单元等。

根据不同的分类方法，上述单元可以分成以下不同的形式。

3.按照维度进行单元分类根据单元的维数特征，单元可以分为一维单元、二维单元和三维单元。

一维单元的网格为一条直线或者曲线。

直线表示由两个节点确定的线性单元。

曲线代表由两个以上的节点确定的高次单元，或者由具有确定形状的线性单元。

杆单元、梁单元和轴对称壳单元属于一维单元，如图1～图3所示。

二维单元的网格是一个平面或者曲面，它没有厚度方向的尺寸。

这类单元包括平面单元、轴对称实体单元、板单元、壳单元和复合材料壳单元等，如图4所示。

二维单元的形状通常具有三角形和四边形两种，在使用自动网格剖分时，这类单元要求的几何形状是表面模型或者实体模型的边界面。

采用薄壳单元通常具有相当好的计算效率。

三维单元的网格具有空间三个方向的尺寸，其形状具有四面体、五面体和六面体，这类单元包括空间实体单元和厚壳单元，如图5所示。

在自动网格划分时，它要求的是几何模型是实体模型(厚壳单元是曲面也可以)。

4.按照插值函数进行单元分类根据单元插值函数多项式的最高阶数多少，单元可以分为线性单元、二次单元、三次单元和更高次的单元。

abaqus系列教程-05应用壳单元

5 应用壳单元应用壳单元可以模拟结构，该结构一个方向的尺度（厚度）远小于其它方向的尺度，并忽略沿厚度方向的应力。

例如，压力容器结构的壁厚小于典型整体结构尺寸的1/10，一般就可以用壳单元进行模拟。

以下尺寸可以作为典型整体结构的尺寸：支撑点之间的距离。

加强件之间的距离或截面厚度有很大变化部分之间的距离。

曲率半径。

所关注的最高阶振动模态的波长。

ABAQUS壳单元假设垂直于壳面的横截面保持为平面。

不要误解为在壳单元中也要求厚度必须小于单元尺寸的1/10，高度精细的网格可能包含厚度尺寸大于平面内尺寸的壳单元（尽管一般不推荐这样做），实体单元可能更适合这种情况。

单元几何尺寸在ABAQUS中具有两种壳单元：常规的壳单元和基于连续体的壳单元。

通过定义单元的平面尺寸、表面法向和初始曲率，常规的壳单元对参考面进行离散。

但是，常规壳单元的节点不能定义壳的厚度；通过截面性质定义壳的厚度。

另一方面，基于连续体的壳单元类似于三维实体单元，它们对整个三维物体进行离散和建立数学描述，其动力学和本构行为是类似于常规壳单元的。

对于模拟接触问题，基于连续体的壳单元与常规的壳单元相比更加精确，因为它可以在双面接触中考虑厚度的变化。

然而，对于薄壳问题，常规的壳单元提供更优良的性能。

在这本手册中，仅讨论常规的壳单元。

因而，我们将常规的壳单元简单称为“壳单元”。

关于基于连续体的壳单元的更多信息，请参阅ABAQUS分析用户手册的第节“Shell elements：overview”。

壳体厚度和截面点（section points）￥需要用壳体的厚度来描述壳体的横截面，必须对它进行定义。

除了定义壳体厚度之外，无论是在分析过程中或者是在分析开始时，都可以选择横截面的刚度。

如果你选择在分析过程中计算刚度，ABAQUS采用数值积分法沿厚度方向的每一个截面点（section points）（积分点）独立地计算应力和应变值，这样就允许了非线性的材料行为。

[转载]ansys中实体单元与壳单元的连接处理方法

[转载]ansys中实体单元与壳单元的连接处理⽅法原⽂地址：ansys中实体单元与壳单元的连接处理⽅法作者：埃及⽂字2010为简化模型，在有些模型中采⽤壳和实体混合的单元类型，由于壳单元节点表⽰的是⼀个截⾯，因此除平动⾃由度外，⼀般具有转动⾃由度；⽽实体单元节点表⽰的是⼀个点，因此只有平动⾃由度。

因此在这些模型中，壳单元与实体单元过渡处的节点由于⾃由度的不同，不能单纯的进⾏节点耦合。

⽬前实体单元与壳单元连接常⽤的处理使⽤MPC⽅法(SHSD命令)定义两者之间的装配关系，这种⽅法⼀般可理解为绑定接触形式。

尽管采⽤了接触模块，采⽤MPC⽅法在⼩变形时不需要平衡迭代，在⼤变形中在每个平衡迭代中不断进⾏更新，⼜克服了传统约束⽅程只适⽤于⼩应变的限制。

该⽅法是处理节点⾃由度耦合较为理想的形式。

本⽂分别采⽤混合单元与纯实体单元两种⽅式进⾏建模，分析，结果及命令流如下：采⽤混合单元进⾏分析时的应⼒分布云图（第三应⼒强度理论）：单纯采⽤实体单元进⾏分析时应⼒分布云图（第三应⼒强度理论）：采⽤混合单元分析的命令流如下：/CLEAR/FILNAME, EXAMPLE26/PREP7ET, 1, SOLID95ET, 2, SHELL63ET, 3, TARGE170KEYOPT, 3, 5, 1ET, 4, CONTA175KEYOPT, 4, 2, 2KEYOPT, 4, 12, 5R, 1, 0.02R, 2R, 3R, 4R, 5MP, EX, 1, 2E11MP, PRXY, 1, 0.3/VIEW, 1, 1, 1, 1BLOCK, -0.14, 0.14, -0.14, 0.14, 0,0.98VDELE, 1,,,0ADELE, 1, 2, 1, 1BLOCK, -0.15, 0.15, -0.15, 0.15, 0.98, 1K, 20, 0, 0, 0.98K, 21, 0, 0.1, 0.98K, 22, 0, 0.1, 1K, 23, 0, 0.075, 1K, 24, 0, 0.075, 1.3 K, 25, 0, 0, 1.3 LSEL, NONEL, 20, 21L, 21, 22L, 22, 23L, 23, 24L, 24, 25L, 25, 20LFILLT, 27, 28, 0.025 AL, ALL VROTAT, 11,,,,,,20, 25 ALLS VOVLAP, ALL AATT, 1, 1, 2 ESIZE, 0.02 MSHAPE, 0 MSHKEY, 1 AMESH, 3, 6, 1 VATT, 1, 1, 1 ESIZE, 0.0175 SMRTSIZE, 5 MSHAPE, 1 MSHKEY, 0 VMESH, ALLALLSASEL, S,,,47 NSLA, S, 1TYPE, 3REAL, 2ESURFALLSLSEL, S,,,5ESURF ALLS ASEL, S,,,47 NSLA, S, 1 TYPE, 3 REAL, 3 ESURF ALLS LSEL, S,,,6 NSLL, S, 1 TYPE, 4 REAL,3 ESURF ALLS ASEL, S,,,47 NSLA, S, 1 TYPE, 3 REAL, 4 ESURF ALLS LSEL, S,,,7 NSLL, S, 1 TYPE, 4 REAL, 4 ESURF ALLS ASEL, S,,,47 NSLA, S, 1 TYPE, 3 REAL, 5 ESURF ALLSREAL, 5ESURFALLSSHSD, 2, CREATE SHSD, 3, CREATESHSD, 4, CREATESHSD, 5, CREATEFINISH/SOLUASEL, S,,,21, 27, 6ASEL,A,,,15,33,18NSLA, S, 1D, ALL, ALLALLSNSEL, S, LOC, Z, 0D, ALL, UZALLSSFA, 4,2, PRES, -1E6*3/2.804 SFA, 8, 1, PRES, -1E6*3/2.804 SOLVEFINISH/POST1PLNSOL, S, EQV, 0, 1 FINISH。

ANSYS中壳与实体单元连接技术应用

ANSYS中壳与实体单元连接技术应用作者：马云飞来源：《价值工程》2013年第14期摘要：在ANSYS有限元分析中经常会同时使用实体单元与壳单元以满足对结构不同部位的分析要求，这就存在壳与实体单元连接时自由度不匹配的问题。

本文通过一个悬臂梁模型，采用几种不同的连接方法进行计算和分析比较，得到了相应结论并给出了几种连接方法的使用建议。

Abstract： Solid and shell elements are often used simultaneously in ANSYS to meet the analysis requirements of different structure parts. An issue will rise in the connection that the degree of freedom of shell element doesn't match that of solid element. A cantilever beam is used to demonstrate several connection methods available to solve this problem and the analysis results are compared. In the end， some proposals about these methods are put forward.关键词： ANSYS；壳实体连接；MPCKey words： ANSYS；Shell-Solid Connection；MPC中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）14-0110-020 引言ANSYS作为通用有限元程序在结构分析中被广泛应用。

实际分析中经常遇到实体单元与壳单元连接的问题，这是由于实体单元只有3个平动自由度，而壳单元有3个平动与3个转动自由度，当壳与实体共节点连接时，壳单元中转动自由度无法传递给实体单元，导致分析结果不准确甚至错误。

壳单元-Tie 研究

一、空腔模型，如下图所示箱型体，厚度5mm，UG里面抽壳得到。

模型左端斜面面完全固定，竖直方向上顶板承受2MPa压力。

图1 箱型体空腔三维模型图图2 箱型体加载和边界条件后图方案A：完全采用实体建模，并进行有限元仿真选取两种实体单元对比模拟，仿真结果的应力图和Y向位移图见下，整体布种5mm，厚度方向两个单元。

图3C3D20R单元模拟结果应力图图4C3D8R单元模拟结果应力图图5 C3D20R单元Y向位移图图6 C3D8R单元Y向位移图C3D20R：最大应力为1326MPa，Y向最大位移为4.85mm。

下面采用单独壳单元进行模拟，实体模型仿真主要是为了给壳单元提供一个对比参考，如果壳单元Tie计算结果与实体模型基本一致，就证明壳单元的Tie 运算结果可靠。

方案B：采用壳单元，每个片体在UG里面并未缝合先单独为每个片体划分网格，连接边处的节点并未重合，通过Tie连接各相交边。

这样做的好处是可以为每个片体单独划分网格，大大降低了划分网格的难度，节约大量时间，可以提高工作效率，各片体网格不相关联，通过Tie 建立各片体的焊接关系。

图7 各相交边Tie 后有限元模型仿真结果的应力图和Y向位移图见下图8 壳单元中面不偏置tie 连接应力图图9 壳单元中面不偏tie连接Y向位移图最大应力为1209MPa，Y向最大位移为4.55mm。

与方案A中比较，最大应力减小8.8%，Y向最大位移减小6%，可认为该方案对于这个模型适用，存在少量误差。

图10 修改边界条件后有限元模型二、改变模型的边界条件和载荷再次进行实体和tie 连接的对比模拟，2MPa压力加在侧面，见图10。

实体单元C3D20R和壳单元中面不偏置仿真结果的应力和Y向位移图见下。

图11 C3D20R单元—应力图图12 C3D20R单元—Y向位移图图13 壳单元中面不偏置tie 连接应力图图14 壳单元中面不偏tie连接Y向位移图壳单元与实体单元最大应力完全一致，Y向最大位移壳单元大了2.3%，对于该边界条件和载荷，认为壳单元tie 连接等效于实体C3D20R的仿真结果。

ANSYS结构分析单元的分类

ANSYS结构分析单元的分类林少玲陈铭年徐健全李进彬(福建农林大学福州 350014)摘要：ANSYS软件的结构分析单元类型众多，可选择的范围较大。

本文分类介绍了ANSYS软件的结构分析单元，包括结构分析单元的特性和用途等，以供使用者在建模时参考。

关键词：结构分析 ANSYS 单元类型1前言制造业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须要不断保持产品创新。

CAD/CAM技术是实现创新的关键手段，而CAE技术是实现创新的最主要技术保障。

计算机辅助工程技术CAE（Computer Aided Engineering—简称CAE）是以有限元分析技术为基础而形成的一门综合性、知识密集型技术[1]。

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用CAE软件，它是世界范围内增长最快的CAE软件。

ANSYS的功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年FEM评比中都名列第一。

中国100多所理工院校已采用ANSYS软件进行有限元分析，或作为标准教学软件。

福建也有不少企业和高校采用ANSYS软件。

但是ANSYS软件结构单元类型众多，初学者要掌握并不容易。

本文根据作者对ANSYS软件的帮助文件的学习体会，将结构分析单元分门别类进行介绍，以期对初学者有所帮助。

2结构分析单元的分类单元类型决定单元的自由度设置(如：热单元有一个自由度，而结构单元有6个自由度)、单元形状(六面体，三角形等)、维数(二维或三维)、位移形函数(线形及二次函数)。

在ANSYS数据库中有超过190种的不同单元类型可供选择。

因此确定单元类型是很重要的，应根据不同特性的工程系统选用不同类型的单元型号，并了解单元特性，才能得出正确的结果[2]。

本文按单元的特点将结构分析单元分为：线单元、管单元、实体单元、壳单元、接触单元、特殊单元六大类，分类进行介绍。

2.1线单元线单元主要有：杆单元、梁单元。

2.1.1杆单元杆单元主要用于桁架和网格计算。