ANSYS高级培训手册

ANSYS TRAINING
单元类型
其它可供选择的单元类型
• 线性单元 / 二次单元 / p单元(续): – 不能将接触单元同具有中节点的单元连起来 ( 仅对于节 点-节点和节点-面接触单元而言-- 对于面-面接触单元则 是允许的)。类似地，在热分析问题中， 不能将辐射link 单元或者非线性对流表面添加到具有中节点的单元上。
平面应力 分析是用来分析诸如承
受面内载荷的平板、承受压力或远 离中心载荷的薄圆盘等结构。
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单元类型
主要单元类型举例
– 平面应变 假定在Z方向的应变为零， 主要具有以下特点： 当Z方向上的几何尺寸远远大于X 和Y方向上的尺寸才有效。 所有的载荷均作用在XY平面内。 在Z方向上存在应力。 运动只在XY平面内发生。
具体单元名称
单元图示 ANSYS 单元名称 (类别, 编号)
单元特性
ANSYS TRAINIБайду номын сангаасG
单元类型
• 在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。 • 选择维数最低的单元去获得预期的结果 (尽量做到能选择 点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不 选择壳，能选择壳而不选择三维实体)。 • 对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程 度的模型。可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不 同分析选项作实验性探讨。
.
面 (薄壳, 二维实体,轴对称实体)
. . . .
线性
.. . .. ...
二次
. .. . . . ..
线性
线(弹簧，梁，杆)
体(三维实体)
. . . ..... . .. . . . .. .
二次
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单元类型
在单元手册中，ANSYS单元库有200多种单元类型， 其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。
– 线性单元内的位移按线性变化， 因此(大多数时)单个单元上的应力 状态是不变的。 – 二次单元内的位移是二阶变化的 ，因此单个单元上的应力状态是 线性变化的。 – p单元内的位移是从2阶到 8阶变 化的，而且具有求解收敛自动控 制功能，自动分析各位置上应当 采用的阶数。
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单元类型
主要单元类型举例
• 三维实体单元:
L Y R Q O Z I M J N K
– 用于那些由于几何、材 料、载荷或分析结果要 求考虑的细节等原因造 成无法采用更简单单元 进行建模的结构。
P
X
Tetrahedron mesh
– 四面体模型在用CAD建 模往往比使用专业的 FEA分析建模更容易， 也偶尔得到使用。
弯矩和横向剪力可以分别作为傅立叶级数的其它两项施加到轴上。
谐单元还可以用于实际当中的任意循环分布载荷，这可能需要分解 成50-100项傅立叶级数才能得到满意的结果。
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单元类型
主要单元类型举例
•
壳单元: – Shell (壳)单元用于薄面板 或曲面模型。 壳单元分析应用的基本原 则是每块面板的主尺寸不 低于其厚度的10倍。
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单元类型
主要单元类型举例
• X-Y
平面单元: 在整体笛卡尔X-Y平面内（模型必须建在此面内），有几种类型的 ANSYS单元可以选用。其中任何一种单元类型只允许有平面应力、平 面应变 、轴对称、或者谐结构特性。
L K O P Y (or Axial) N I M J X (or Radial) I P M J Triangular Option N K,L,O
Should allow coarser mesh, lower #dof than linear
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单元类型
其它可供选择的单元类型
•线性单元 / 二次单元 / p单元(续): 在 进行单元选择时应考虑的其它因素。 – 线性单元的扭曲变形可能引起精度 损失。更高阶单元对这种扭曲变形 不敏感。 – 就求解的精度的差别讲，线性单元 和二次单元网格之间的差别远没有 平面单元和三维实体单元网格之间 的差别那么惊人之大。所以经常使 用线性壳单元。
平面应变分析是用于分析那种一个方
向的尺寸（指定为总体Z方向）远远大 于其它两个方向的尺寸，并且垂直于Z 轴的横截面是不变的。
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单元类型
主要单元类型举例
– 轴对称 假定三维实体模型是由XY面内的 横截面绕Y轴旋转360o 形成的（管，锥 体，圆板, 圆顶盖，圆盘等）。 对称轴必须和整体 Y 轴重合。 不允许有负 X 坐标。 Y 方向是轴向，X方向是径向， Z方向 是周向。 周向位移是零；周向应变和应力十分 明显。 只能承受轴向载荷（所有载荷）。
欢迎各位来参加 ANSYS进阶培训
主讲人：黄志新 肖金花
ANSYS公司北京办事处
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培训安排
• 第一天 单元库及常用单元、材料库、高级有限元模型技术 • 第二天 建模、加载、后处理的高级技术 • 第三天 APDL参数化分析技术、优化设计
• 第四天 非线性分析
• 第五天 ANSYS Workbench 的高级使用
K,L,O
N J
M Triangular Option
Y (Axial)
X (Radial)
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单元类型
主要单元类型举例
– 谐单元 - 举例： 假定一承受剪 力，弯矩，和/或者扭矩的轴。
M T V
轴上的扭矩以傅立叶级数的一项施加到轴上。这时，除了扭矩 外，事实上是一般的轴对称问题。
Quality of results
Mesh generation method(s)
Excellent for high order quads, good for near parallelogram linear quads, poor for non-parallelogram linear quads Unstructured (“free”) mesh of quads is possible for any area, but may contain a few triangles Structured mesh of quads is possible in 3 or 4-sided areas only
(不建议)
(建议)
– 在非线性材料特性区域内，二次单元并不比线性单元更 有效。
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单元类型
其它可供选择的单元类型
四边形单元 / 三角形单元，块单元 / 四面体单元: 针对平面或者三维壳体分析模型而言，四边形单元和三角 形单元是有差别的，下表列出了这些差异。
•
Factor Quadrilaterals Triangles
单元类型
其它可供选择的单元类型
我们有必要讲述一下ANSYS中各线性概念之间的区别。 • 线性分析 是指不包含任何非线性影响(如：大变形，塑性，或者 接触)。 • 线性方程 求解器 是指 方程组解就是结构的自由度解。即使是 非线性分析，这些方程还是线性的 (但必须进行多次求解)。
• 线性单元 假定单元内的自由度按线性变化 (跟二次单元, 三次单
Hoop
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单元类型
主要单元类型举例
– 谐单元 将轴对称结构承受的 非轴对称载荷分解成傅立叶 级数。傅立叶级数的每一部 分独立进行求解，然后根据 再合并到一起。
谐单元较常用于单一受扭或 受弯的分析求解，其中受扭 和受弯对应于傅立叶级数的 第1和第2项。
L
O P y I x M J 单元坐标系 (显示的是 KEYOPT(1)=0情形) N I K P
• 线性单元 / 二次单元 / p单元(续): – 采用越来越高阶的单元，给曲线结构划分越来越稀疏的单元网格， ANSYS开始向你发出警告，甚至发出由于单元扭曲变形超过单元 允许范围而引起网格划分失败的信息。其原因是，由于模型表面单 元的弯曲程度过大，使部分中节点偏离了自身位置， 最终决定了 你能划分单元网格的稀疏程度。同其它软件一样，ANSYS程序允 许用更高阶的直边单元划分网格 (降低了实际几何模型的精度，特 别是对于p单元而言，通常极不理想)，也允许用不带中节点的更高 阶单元划分单元网格 (即降低了几何模型的精度，又降低了单元精 度，所以在通常情况下更不理想)。所以，一般建议采用尽可能稀 疏的单元网格，而又不至于出现形状检查警告。
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单元类型
主要单元类型举例
•
线单元: – Beam(梁)单元是用于螺栓(杆)，薄壁管件，C 形截面构件，角钢或者狭长薄膜构件(只有膜应 力和弯应力的情况)等模型。 – Spar (杆)单元是用于弹簧，螺杆，预应力螺杆 和薄膜桁架等模型。 – Spring 单元是用于弹簧，螺杆，或细长构件， 或通过刚度等效替代复杂结构等模型。
元, 或 p单元相比)。
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单元类型
其它可供选择的单元类型
• 线性单元 / 二次单元 / p单元(续): 在许多情况下，同线 性单元相比，采用更高阶类型的单元进行少量的计算就 可以得到更好的计算结果。下面是根据不同分析目的进 行单元选择的情况。
Objective Linear elements Quadratic elements p-elements (linear s tructural analys is only)
I Z
Y
X
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单元类型
其它可供选择的单元类型
•
线性单元 / 二次单元 / p单元: 一旦你决定采用平面、三维 壳或者三维实体单元，还需要进 一步决定采用线性单元、二次单 元或P单元。 线性单元和高阶单 元之间明显的差别是线性单元只 存在 “角节点”，而高阶单元还 存在 “中节点”。下面还提到一 些差别。
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单元类型
主要单元类型举例
– 平面应力 假定在Z方向上的应力为零， 主要有以下特点： 当Z方向上的几何尺寸远远小于X和 Y方向上的尺寸才有效。 所有的载荷均作用在XY平面内。 在Z方向上存在应变。 运动只在XY平面内发生。 允许具有任意厚度 (Z方向上) 。
由于转化成线性单元的二次单 元和块单元具有“不相容的位 移模式”，并引起单元弯曲)。
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单元类型
其它可供选择的单元类型
•线性单元 / 二次单元 / p单元(续): – 更高阶的单元模拟曲面的精度就越高。
低阶单元
更高阶单元
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其它可供选择的单元类型
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单元库及常用单元
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ANSYS单元类型
• • • • • • • • • • 实体单元 梁/管单元 壳/膜单元 杆/索单元 弹簧元 接触单元 表面效应单元 质量单元 mesh200 „„
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单元类型
常用单元的形状
点 (质量)
Highly accurate stresses, or temperatures with high gradients Deflections, nominal stresses, or temperatures- mild gradients
Finer mesh, higher #dof required for same accuracy compared to quadratic or p Not usually a problem unless mesh is very coarse
Almost always allow coarser mesh, lower #dof than linear
Allow much coarser mesh for same accuracy- solution time may be < or > quadratic Any mesh representing the geometry will almost always be OK
Brick mesh
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单元类型
主要单元类型举例
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专用单元: – 专用单元 包括接触单元 用于构件间存在接触面的 结构建模，如涡轮盘和叶 片，螺栓头部和法兰，电 触头，以及O-圈等等。 – 做好接触分析要求有这方 面的知识和经验。
FSLIDE M or M/2
K1 GAP M or M/2 K2 J C
高度扭曲的二次情形 (非平行对边)
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单元类型
其它可供选择的单元类型
• 线性单元 / 二次单元 / p单元(续): – 大多数二次单元允许忽略部分 或所有边的中节点 - 但是，在 没有中节点的边上，你只能得 到线性结果。如果所有中节点
均不存在，该单元就变成了线 性单元，计算精度也随之降低 (