附錄ANSYS基礎

1、CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初級培訓ANSYS/STRUCTURAL基礎基礎ANSYSANSYS2004.9.8CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊有限元法基礎有限元法基礎 有限單元法在50年代起源于航空工程飛機結構的矩陣分析，結構矩陣分析認為，一個結構可以看作是由有限個力學小單元相互連接而成的集合體，表征單元力學特性的剛度矩陣可比喻作建筑中的磚瓦。裝配在一起就能提供整個結構的力學特性。 應用有限元法求解

2、連續(xù)體時，把求解區(qū)域分為有限個單元，并在每個單元上指定有限個節(jié)點。一般可以認為相鄰單元在節(jié)點連接成一組單元的集合體，用以模擬或逼近求解區(qū)域進行分析，同時選定場函數的節(jié)點值。例如取節(jié)點位移作為基本未知量。假設一個插值函數近似地表示位移分布規(guī)律。再利用變分原理或其它方法建立單元節(jié)點力和位移之間的力學特性關系。得到一組以節(jié)點位移為未知量的代數方程組。從而求解節(jié)點位移分量。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊下面以小變形彈性靜力問題為例，加以詳細介紹。下面以小變形彈性靜力問題為例，加以詳細介紹。幾何方程：幾

3、何方程：eij=1/2(ui,j+uj,i)物理方程：物理方程：s sij=aijklekl平衡方程：平衡方程：s sij,j+fi=0邊界條件：邊界條件： 位移已知邊界條件位移已知邊界條件 ui=ui （在邊界（在邊界u上位移已知）上位移已知） 外力已知邊界條件外力已知邊界條件 s sij,j+pi=0（在邊界（在邊界p上外力已知）上外力已知）簡例（續(xù)）簡例（續(xù)）CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊簡例（續(xù)）簡例（續(xù)） 上標表示單元號碼，下標表示節(jié)點號碼。因鉸接不存在力矩，每節(jié)點力和位移各有兩個分

4、量，共四個自由度，用四個方程來描述力位移關系： F1x1=K11U11+K12V11+K13U21+K14V21 F1y1=K21U11+K22V11+K23U21+K24V21 （1-1） F1x2=K31U11+K32V11+K33U21+K34V21 F1y2=K41U11+K42V11+K43U21+K44V21CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊簡例（續(xù)）簡例（續(xù)）即 F 1=K 11在（1-1）中令U11=1，V11=U21=V21=0則F1x1=K11 ，F(xiàn)1y1=K21 ，F(xiàn)1x2=

5、K31 ，F(xiàn)1y2=K41 上式表明，當節(jié)點1沿X方向產生一單位位移，而單元1的其余節(jié)點位移為零時，各節(jié)點施于單元1上的力將組成一平衡力系，表示單元1抵抗位移U11的剛度。 根據節(jié)點間位移協(xié)調關系。U11= U22，V11=V22 又根據各節(jié)點的平衡條件有 F=KCFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊有限元分析步驟有限元分析步驟有限元法可分為幾步： 結構的離散化 選擇位移模式 即假定位移是坐標的某種簡單的函數這種函數稱為位移模式或插值函數通常選多項式作為位移模式一般來說，多項式的項數應等于單元的自由度

6、數。 f=Nf=Ne e (1-9) (1-9) f單元內任一點的位移列陣 e 單元的節(jié)點位移列陣 N形函數矩陣 CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊有限元分析步驟（續(xù)）有限元分析步驟（續(xù)） 分析單元的力學特性由（1-9）導出節(jié)點位移表示單元應變的關系式 =B=Be e (1-10) (1-10) 單元內任一點的應變列陣 B單元應變矩陣由（1-10）導出 =DB=DBe e 單元內任一點的應力矩陣 D與單元材料有關的彈性矩陣利用變分原理，建立作用于單元上的節(jié)點力和位移之間的關系式 Fe=Kee CF

7、D Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊有限元分析步驟（續(xù)）有限元分析步驟（續(xù)） 集合所有單元的平衡方程，集合依據的是所有相鄰 單元在公共節(jié)點處的位移相等；建立總體的有限元方程組。 引入邊界條件 求解有限元方程組，得到未知節(jié)點位移 計算單元應力，對不同的單元，對應力的處理還有不同的方法CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS文件結構文件結構二進制文件二進制文件Jobname.db （數據庫文件） Jobna

8、me.dbb （備份文件）Jobname.rst （結構分析結果文件）Jobname.rth （熱分析結果文件）Jobname.rmg （電磁場分析結果文件）Jobname.rfl （流體分析結果文件）Jobname.tri （三角化剛度矩陣文件）Jobname.emat （單元矩陣文件）Jobname.esav （單元保存文件）CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS文件結構（續(xù)）文件結構（續(xù)）文本文件Jobname.log（命令日志文件）Jobname.err（錯誤及警告信息文件）ANSY

9、S6.0可以改變 Jobname Work directoryCFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS內存管理內存管理CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS內存管理內存管理 (續(xù)續(xù))WorkspaceCFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS 分析過程分析過程 建模 ( /prep7) 加載及

10、求解 (/solu) 觀察結果 (/post1, /post26)CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊建模建模 確定工作名和分析標題（/TITLE） 定義單位 選單元 定義實常數 定義材料性質 創(chuàng)建幾何模型 建立有限元模型CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊 ANSYS/Structural求解功能求解功能Static - 結構靜力問題（包括線性和非線性問題）結構靜力問題（包括線性和非線性問題）Modal

11、 - 模態(tài)振動特性計算分析（結構固有頻率和振型）模態(tài)振動特性計算分析（結構固有頻率和振型）Harmonic - 諧波分析諧波分析Transient - 瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析Spectrum - 譜分析譜分析Eigen Buckling - 特征值屈曲分析（線性）特征值屈曲分析（線性）Substructural - 子結構分析子結構分析。ANSYS/Structural求解功能求解功能CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS非線性非線性 材料非線性材料非線性 幾何非線性幾何非線性 單元非線性單元非線

12、性CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊幾何非線性幾何非線性 大應變大應變 大撓度大撓度 應力剛化應力剛化 旋轉軟化旋轉軟化CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊材料非線性材料非線性 速率無關的塑性速率無關的塑性 速率相關的塑性速率相關的塑性 超彈性超彈性 粘彈性粘彈性 混凝土混凝土 非線彈性非線彈性 蠕變蠕變 膨脹膨脹CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis w

13、ith ANSYS/FLOTRAN培訓手冊材料非線性材料非線性 流動準則流動準則 屈服準則屈服準則 強化準則強化準則CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊單元非線性單元非線性 接觸接觸 點點-點點 點點-線線 點點-面面 面面-面面 剛剛-柔柔 柔柔-柔柔 單元生死單元生死 (焊接焊接,土壤開挖土壤開挖) 非線性單元非線性單元 LINK10, COMBINE40.CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊幾何模型

14、與有限元模型幾何模型與有限元模型關鍵點線面體單元節(jié)點幾何模型有限元模型CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊加載加載載荷的含義（六大類）載荷的含義（六大類）l 自由度約束（位移，對稱邊界條件，溫度等）自由度約束（位移，對稱邊界條件，溫度等）l 節(jié)點力（力，力矩，熱流量）節(jié)點力（力，力矩，熱流量）l 表面載荷（壓力，對流，熱流量）表面載荷（壓力，對流，熱流量）l 體載荷（結構分析中溫度，熱分析中熱生成率，磁體載荷（結構分析中溫度，熱分析中熱生成率，磁 場分析中電流密度）場分析中電流密度）l 慣性載荷（重

15、力加速度，角加速度）慣性載荷（重力加速度，角加速度）l 耦合場載荷（上述載荷的一種特殊情況，一種分析耦合場載荷（上述載荷的一種特殊情況，一種分析的結果作為載荷加于另一種分析中）的結果作為載荷加于另一種分析中）CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊實體幾何模型載荷實體幾何模型載荷優(yōu)點優(yōu)點改變網格不影響載荷改變網格不影響載荷涉及到的加載實體少涉及到的加載實體少缺點缺點生成的單元在當前激活的單元座標下，節(jié)生成的單元在當前激活的單元座標下，節(jié)點為總體直角座標，因此實體與有限元模點為總體直角座標，因此實體與有限

16、元模型可能有不同座標系統(tǒng)和載荷方向型可能有不同座標系統(tǒng)和載荷方向實體載荷在凝聚分析中不方便，因載荷加實體載荷在凝聚分析中不方便，因載荷加在主自由度上施加關鍵點約束較繁鎖在主自由度上施加關鍵點約束較繁鎖 不能顯示所有實體載荷不能顯示所有實體載荷CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊有限元載荷有限元載荷優(yōu)點優(yōu)點凝聚分析加載方便凝聚分析加載方便不用考慮約束擴展不用考慮約束擴展缺點缺點網格改變后需重新加載網格改變后需重新加載圖形拾取加載不方便圖形拾取加載不方便CFD Analysis with ANSYS/F

17、LOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS坐標系種類坐標系種類 總體坐標系總體坐標系 局部坐標系局部坐標系 節(jié)點坐標系節(jié)點坐標系 單元坐標系單元坐標系 結果坐標系結果坐標系 顯示坐標系顯示坐標系CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS坐標系類型坐標系類型 直角坐標系直角坐標系 圓柱坐標系圓柱坐標系 球坐標系球坐標系 環(huán)形坐標系環(huán)形坐標系CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/

18、FLOTRAN培訓手冊誤差估計誤差估計SERR SERR 單元能量范數誤差單元能量范數誤差 e ei i e ei i=1/2=1/2volvolDDT T-1-1 d(vol) d(vol) PRERRPRERR能量范數百分比誤差能量范數百分比誤差 E E E=100e/ E=100e/（U+eU+e） 1/21/2 U U整個模型應變能整個模型應變能SDSG SDSG i i連接單元的節(jié)點中，最大應力差值的絕對值連接單元的節(jié)點中，最大應力差值的絕對值 i in n=a an n-i in n CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with

19、ANSYS/FLOTRAN培訓手冊選擇單元策略選擇單元策略 對線性結構（應力）分析，建議采用高階單元對線性結構（應力）分析，建議采用高階單元 對非線性應力分析，用低階單元采用較密網格對非線性應力分析，用低階單元采用較密網格，而不用較粗網格高階單元，而不用較粗網格高階單元 對場分析，低階單元通常與高階單元一樣可以對場分析，低階單元通常與高階單元一樣可以取得好的結果取得好的結果 對應力分析，四邊形比三角形結果要好對應力分析，四邊形比三角形結果要好CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS單元介紹單元

20、介紹ANSYS單元分類單元分類*ANSYS常用單元常用單元 介紹介紹 ANSYS單元介紹單元介紹CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS單元分類單元分類*ANSYS常用單元常用單元 介紹介紹*ANSYS常用單元常用單元 推薦推薦ANSYS單元介紹單元介紹CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYSANSYS的單元按形狀可分為以下三類：的單元按形狀可分為以下三類：質點單元（如質量單元）質點單元（如質

21、量單元）線單元（如桿、梁、管單元）線單元（如桿、梁、管單元）面單元（二維平面面單元（二維平面 、殼等）、殼等）體單元（如體單元（如SOLIDSOLID等）等）其它輔助單元其它輔助單元下面就這些類型中常用的單元作簡要介紹。下面就這些類型中常用的單元作簡要介紹。ANSYS單元分類單元分類CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS單元分類單元分類1. 桿單元，包括二維桿單元和三維桿單元，線性調節(jié)桿單元，包括二維桿單元和三維桿單元，線性調節(jié)元，主要包括：元，主要包括：LINK1，LINK8，LINK10

22、，LINK11，LINK180等。等。 2. 彈簧阻尼單元，包括彈簧阻尼單元，包括COMBIN系列：系列：COMBIN7,COMBIN14,COMBIN37,COMBIN40等。等。3. 質量元，質量元，MASS21。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初級培訓ANSYS單元分類單元分類4 . 梁單元，分為二維和三維單元，彈性和塑性；可定梁單元，分為二維和三維單元，彈性和塑性；可定 義各種截面。主要包括：義各種截面。主要包括：BEAM3，BEAM4，BEAM23，BEAM24，BEAM44，BEAM188，

23、BEAM189。5. 管單元，分為彈性和塑性管元，直管、彎管、管單元，分為彈性和塑性管元，直管、彎管、T 形管。形管。主要包括：主要包括：PIPE系列。系列。6. 二維二維/三維預拉單元三維預拉單元PRET179，可以處理預緊螺栓?？梢蕴幚眍A緊螺栓。7. 結構實體單元，分為二維和三維，彈性和塑性，結構實體單元，分為二維和三維，彈性和塑性， 低階低階 單元和高階單元。單元和高階單元。 主要包括：主要包括：PLANE系列，系列，SOLID系列。系列。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初級培訓ANSYS單元分類

24、單元分類8. 殼單元，分為薄殼、中厚殼，彈性殼元，塑性殼單殼單元，分為薄殼、中厚殼，彈性殼元，塑性殼單 元，膜單元。主要包括：元，膜單元。主要包括：SHELL系列。系列。9. 流體單元，流體單元，F(xiàn)LUID系列。系列。10. 超彈單元，超彈單元，HYPER系列。系列。11. 粘彈性單元，粘彈性單元，VISCO系列。系列。 12. 二維、三維表面效應單元。二維、三維表面效應單元。 熱表面效應單元：熱表面效應單元：SURF151，SURF152； 結構表面效應單元：結構表面效應單元：SURF153，SURF154。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysi

25、s with ANSYS/FLOTRAN初級培訓ANSYS單元分類單元分類13. 接觸單元，接觸單元， 分為二維和三維點分為二維和三維點-點接觸、點點接觸、點-面接面接觸、面觸、面-面接觸。接觸單元和目標單元在某些情況下面接觸。接觸單元和目標單元在某些情況下成對使用。主要包括：成對使用。主要包括：接觸單元：接觸單元：CONTA系列；目標單元：系列；目標單元：TRAGE系列。系列。 14. 網格劃分輔助單元，網格劃分輔助單元，MESH200。與求解無關，與求解無關， 不不 影響計算結果。在用低級單元創(chuàng)建高級單元等影響計算結果。在用低級單元創(chuàng)建高級單元等 狀態(tài)時使用，例如拖拉。狀態(tài)時使用，例如拖拉

26、。 15. 其它單元其它單元 超單元：超單元：MATRIX50，主要用于子結構分析等方主要用于子結構分析等方面；面； 剛度、阻尼、質量單元：剛度、阻尼、質量單元：MATRIX27， 可用于彈性運動學響應分析等方面?？捎糜趶椥赃\動學響應分析等方面。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初級培訓ANSYS單元介紹單元介紹ANSYS單元分類單元分類常用單元常用單元 介紹介紹* ANSYS常用單元推薦常用單元推薦CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSY

27、S/FLOTRAN培訓手冊ANSYS常用單元介紹常用單元介紹Link8 3維桿單元，可用來模擬桁架、纜索、連桿、彈簧等。維桿單元，可用來模擬桁架、纜索、連桿、彈簧等。沿杠的軸向承受拉壓，不承受彎矩。每個節(jié)點有沿杠的軸向承受拉壓，不承受彎矩。每個節(jié)點有3個自由個自由度（沿節(jié)點坐標系度（沿節(jié)點坐標系x、y、z的平動）。具有塑性、蠕變、的平動）。具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形、大應變等功能。膨脹、應力剛化、大變形、大應變等功能。單元無選項要求。單元無選項要求。所需實常數：截面積和初始應變。所需實常數：截面積和初始應變。同類型單元有同類型單元有Link1(2D)、Link10、Link11等。

28、等。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊Combin14 彈簧阻尼單元，可用于一維、二維、三維中的軸彈簧阻尼單元，可用于一維、二維、三維中的軸向拉壓和扭轉。向拉壓和扭轉。 具有軸向拉壓、扭轉能力。具有軸向拉壓、扭轉能力。 單元選項：單元選項：K1-線性、非線性求解選項；線性、非線性求解選項； K21D自由度選項（包括平動自由自由度選項（包括平動自由 度和轉動自由度）度和轉動自由度） K3-2D、3D自由度選項自由度選項 （包括平動自由度和轉動自由度）（包括平動自由度和轉動自由度） 實常數：實常數：

29、K-彈簧剛度；彈簧剛度； CV1-阻尼系數；阻尼系數； CV2-非線性阻尼系數。非線性阻尼系數。ANSYS常用單元介紹常用單元介紹CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS常用單元介紹常用單元介紹BEAM4 三維彈性梁單元三維彈性梁單元 可承受軸向拉壓、扭轉和彎曲，每個節(jié)點六個自由度可承受軸向拉壓、扭轉和彎曲，每個節(jié)點六個自由度 （三個平動和三個轉動自由度）（三個平動和三個轉動自由度） 具有應力剛化和大變形功能。具有應力剛化和大變形功能。 單元選項：單元選項：k2剛化矩陣選項（主矩陣或一致矩陣）

30、；剛化矩陣選項（主矩陣或一致矩陣）； k6是否輸出單元力和力矩；是否輸出單元力和力矩； k7是否計算回轉矩陣；是否計算回轉矩陣； k9額外中間選項輸出；額外中間選項輸出； k10按長度單位還是按長度比例進行載按長度單位還是按長度比例進行載 荷偏移處理。荷偏移處理。 實常數定義：可以通過截面參數按截面圖形輸入和實常數定義：可以通過截面參數按截面圖形輸入和 定義截面尺寸、截面類型。定義截面尺寸、截面類型。 同類型的單元：同類型的單元：BEAM3、BEAM23、BEAM24、 BEAM44、BEAM188、BEAM189等。等。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD A

31、nalysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS常用單元介紹常用單元介紹PLANE42 2D結構實體單元。結構實體單元。 可用于平面應力、平面應變、軸對稱。有四個節(jié)點，每個可用于平面應力、平面應變、軸對稱。有四個節(jié)點，每個節(jié)點兩個平動自由度。節(jié)點兩個平動自由度。具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形和大應變功能。具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形和大應變功能。單元選項：單元選項：K1單元坐標系定義（平行于總體坐標系或以單元坐標系定義（平行于總體坐標系或以IJ邊為基準）；邊為基準）；K2是否包括額外的位移形狀；是否包括額外的位移形狀；K3-單元行為（平面應力、應變、軸對

32、稱等）單元行為（平面應力、應變、軸對稱等）K4額外的應力輸出（沒有、積分點、節(jié)點）額外的應力輸出（沒有、積分點、節(jié)點）K5額外的表面輸出選項。額外的表面輸出選項。實常數：無實常數要求（單元厚度按單位厚度考慮）實常數：無實常數要求（單元厚度按單位厚度考慮） 對應的高階單元是對應的高階單元是PLANE82，接受非軸對稱載荷的接受非軸對稱載荷的 軸對稱單元是軸對稱單元是PLANE25。 同類型的單元還有同類型的單元還有PLANE182、PLANE183等。等。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初級培訓ANSYS

33、常用單元介紹常用單元介紹SOLID95 D20節(jié)點結構實體單元。節(jié)點結構實體單元。 是是3D八節(jié)點實體單元八節(jié)點實體單元SOLID45的高階單元。該單元在的高階單元。該單元在保證精度的同時允許使用不規(guī)則的形狀。具有相容的位移保證精度的同時允許使用不規(guī)則的形狀。具有相容的位移形式，適用于曲線邊界的建模。形式，適用于曲線邊界的建模。具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形和大應變功能。具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形和大應變功能。單元選項：單元坐標系；額外單元輸出選項；額外表面輸單元選項：單元坐標系；額外單元輸出選項；額外表面輸出選項；積分原則。出選項；積分原則。同類型的單元還有：同類型的單元

34、還有：SOLID185、SOLID186等。等。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初級培訓ANSYS常用單元介紹常用單元介紹SHELL93 八節(jié)點結構殼單元。八節(jié)點結構殼單元。 每個節(jié)點有六個自由度（三個平動和三個轉動自每個節(jié)點有六個自由度（三個平動和三個轉動自 由由 度）。在平面的兩個方向上，變形的形狀都是度）。在平面的兩個方向上，變形的形狀都是 二次的。二次的。 具有塑性、應力剛化、大變形和大應變功能。具有塑性、應力剛化、大變形和大應變功能。 單元選項：單元坐標系；額外應力輸出選項；單元選項：單元坐標

35、系；額外應力輸出選項； 非線性積分點輸出選項等。非線性積分點輸出選項等。 實常數：單元各點的厚度；單元實常數：單元各點的厚度；單元X軸的轉角；軸的轉角； 增加的單位質量面等。增加的單位質量面等。 同類型的單元：同類型的單元： CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSYS常用單元介紹常用單元介紹SHELL63 線性單元（線性單元（4節(jié)點），節(jié)點）， 具有應力剛化、大變形功能。具有應力剛化、大變形功能。SHELL143 四節(jié)點塑性殼單元，具有塑性、蠕變、四節(jié)點塑性殼單元，具有塑性、蠕變、 膨脹、應力剛

36、化、大變形和大應變功能。膨脹、應力剛化、大變形和大應變功能。 可處理薄殼和中厚度的殼單元。可處理薄殼和中厚度的殼單元。 SHELL181 有限應變殼單元。特別適用于具有線性、有限應變殼單元。特別適用于具有線性、 大角度轉動大角度轉動/或非線性大應變特性的應用問題?；蚍蔷€性大應變特性的應用問題。 非線性分析中考慮了殼厚度的變化。非線性分析中考慮了殼厚度的變化。 單元內積分可用完全積分和縮減積分。單元內積分可用完全積分和縮減積分。 采用采用SHELL43有收斂困難的問題可用有收斂困難的問題可用 SHELL181代替。代替。SHELL43 塑性大應變殼單元。塑性大應變殼單元。CFD Analysis

37、 with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初級培訓ANSYS常用單元介紹常用單元介紹SURF153 2D表面效應單元表面效應單元SURF154 3D表面效應單元表面效應單元 單元選項：單元特點（平面應力、應變、軸對稱等），單元選項：單元特點（平面應力、應變、軸對稱等）， 是否有中間節(jié)點、壓力載荷法向等。是否有中間節(jié)點、壓力載荷法向等。 實常數：基礎剛度、表面張力、厚度實常數：基礎剛度、表面張力、厚度CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊ANSY

38、S常用單元介紹常用單元介紹接觸單元：接觸單元： 目標面；接觸面；目標面；接觸面； 可以通過接觸導向來定義接觸對；可以通過接觸導向來定義接觸對； 單元選項：單元自由度、接觸算法、接觸檢查點、單元選項：單元自由度、接觸算法、接觸檢查點、 CNOF的自動調節(jié)、接觸時間（載荷）預報、的自動調節(jié)、接觸時間（載荷）預報、 偽接觸預報、接觸初期滲透偽接觸預報、接觸初期滲透/間隙考慮否、間隙考慮否、 接觸剛度修正。接觸剛度修正。 實常數：接觸剛度（實常數：接觸剛度（KFN）、）、穿透容差值（穿透容差值（FTOLN）、）、 摩擦系數等。摩擦系數等。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANC

39、FD Analysis with ANSYS/FLOTRAN初級培訓表面效應單元表面效應單元表面效應單元（表面效應單元（Surf154Surf154）應用簡介應用簡介單元定義：單元定義：4-84-8個節(jié)點及材料特性個節(jié)點及材料特性單元退化單元退化實常數實常數 厚度等，厚度缺損為單位厚度。厚度等，厚度缺損為單位厚度。 質量和體積的計算要使用單元厚度。質量和體積的計算要使用單元厚度。 ADMSUADMSU，附加質量（單位面積）附加質量（單位面積） EFSEFS， 基礎剛度基礎剛度 . .CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/F

40、LOTRAN培訓手冊表面效應單元表面效應單元表面效應單元（表面效應單元（Surf154)Surf154)的加載的加載節(jié)點和單元載荷節(jié)點和單元載荷對于對于faceface為為1 1，2 2，3 3，4 4，壓力的正值作用在單元坐標，壓力的正值作用在單元坐標系的正面（除非在系的正面（除非在Z Z的負方向作用法向壓力）；的負方向作用法向壓力）；正或負根據正或負根據Keyopt(6)Keyopt(6)可以移動到流體約束的自由表面可以移動到流體約束的自由表面；face=1face=1，壓力作用在表面的法向；，壓力作用在表面的法向；face=2face=2，壓力作用在表面的切向（，壓力作用在表面的切向（X

41、) X)；face=3face=3，壓力作用在表面的切向（，壓力作用在表面的切向（Y) Y)；CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊表面效應單元表面效應單元Face=4Face=4，法向壓力法向壓力 在每個積分點，壓力的大小是在每個積分點，壓力的大小是Pi+xPj+yPk+ZPlPi+xPj+yPk+ZPl 其中，其中，Pi,Pj,Pk,PlPi,Pj,Pk,Pl是用是用SFESFE命令輸入的命令輸入的 VAL1,VAL2,VAL3,VAL4 VAL1,VAL2,VAL3,VAL4，X,Y,ZX,Y,

42、Z是當前是當前 位置的笛卡兒系下的坐標值位置的笛卡兒系下的坐標值CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊表面效應單元表面效應單元Face=5Face=5，與表面成一定的角度的壓力，與表面成一定的角度的壓力 壓力值的大小是壓力值的大小是Pi Pi； 壓力的方向是：壓力的方向是： （P PjjX+PX+Pk kY+PlZ)/(PjY+PlZ)/(Pj2 2+Pk+Pk2 2+Pl+Pl2 2) )1/21/2壓力值可以根據壓力值可以根據Keyopts(11)Keyopts(11)和和Keyopts(12)K

43、eyopts(12)調整，調整，但，當使用但，當使用SffunSffun或或SfgradSfgrad命令時，方向是不會調整的。命令時，方向是不會調整的。 CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊表面效應單元表面效應單元Suuf154Suuf154的輸入的輸入單元名單元名 SURF154SURF154節(jié)點：節(jié)點：i,j,k,l if keyopt(4)=1 i,j,k,l if keyopt(4)=1 （無中間節(jié)點）（無中間節(jié)點） I,j,k,l,m,n,o,p if keyopt(4)=0 I,j,k,

44、l,m,n,o,p if keyopt(4)=0 （有中間節(jié)點（有中間節(jié)點）自由度：自由度：ux uy uzux uy uz實常數：實常數：材料特性：材料特性：Dens,Visc,DampDens,Visc,DampCFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊表面效應單元表面效應單元 Surface LoadsSurface Loads Pressures: Face=1 (I,J,K,L ) Pressures: Face=1 (I,J,K,L ) 表面法向表面法向 Face=2 (I,J,K,L) Fa

45、ce=2 (I,J,K,L) 切向（切向（+X)+X) Face=3 (I,J,K,L) Face=3 (I,J,K,L) 切向（切向（+Y)+Y) Face=4 (I,J,K,L) Face=4 (I,J,K,L) 法向法向 （錐形（錐形) ) Face=4 (I,J,K,L) Face=4 (I,J,K,L) 根據輸入的矢量根據輸入的矢量CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊* ANSYS單元分類單元分類* ANSYS常用單元常用單元 介紹介紹 ANSYS常用單元推薦常用單元推薦ANSYS單元介紹

46、單元介紹CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊實體單元推薦實體單元推薦幾乎不可壓縮材料幾乎不可壓縮材料 (塑性塑性) 可忽略彎曲的體結構變形采用可忽略彎曲的體結構變形采用 Plane182, Solid185Plane182, Solid185 選擇縮減積分選擇縮減積分 ( (B-Bar)B-Bar)。 對于小應變應用采用非協(xié)調模式單元對于小應變應用采用非協(xié)調模式單元 Plane42, Plane42, Solid45Solid45。 對于大應變應用采用具有對于大應變應用采用具有URI(URI(特別對

47、于大模型特別對于大模型) )的的Plane182Plane182 和和 Solid185Solid185 或具有或具有URIURI的的 Solid95Solid95 。也可也可以采用以采用 Visco106, Visco107 Visco106, Visco107 和和 Visco108Visco108 單元單元( (甚至甚至對于與速率無關的塑性對于與速率無關的塑性)。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊實體單元推薦實體單元推薦不可壓縮材料不可壓縮材料 (超彈性超彈性) 類似橡膠材料的不可壓縮條件約

48、束需要類似橡膠材料的不可壓縮條件約束需要 U-P U-P 混合公式混合公式，可采用單元，可采用單元 Hyper56, Hyper58, Hyper158 Hyper56, Hyper58, Hyper158 或或 Hyper74 Hyper74 。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊殼單元殼單元 - 概述概述 當結構的總體厚度相對于典型長度很小時可使用殼單元當結構的總體厚度相對于典型長度很小時可使用殼單元，長度比厚度大十倍以上的問題可決定使用殼單元。，長度比厚度大十倍以上的問題可決定使用殼單元。 公

49、開的文獻中有各種殼理論，這源于對殼位移的不同近公開的文獻中有各種殼理論，這源于對殼位移的不同近似描述。似描述。 ANSYS ANSYS 中的殼單元根據要求解的問題類型采用不同的公中的殼單元根據要求解的問題類型采用不同的公式式，三個基本的殼公式包括，三個基本的殼公式包括: 薄膜理論薄膜理論,“薄薄”殼理論殼理論和和“ 厚厚”殼理論。殼理論。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊殼單元殼單元 - 概述概述薄膜理論薄膜理論 Shell41Shell41 采用薄膜理論。采用薄膜理論。Shell41 Shell

50、41 忽略彎曲和橫向剪忽略彎曲和橫向剪切，只包含薄膜效應。切，只包含薄膜效應。經典經典 Love-Kirchhoff Love-Kirchhoff 理論理論 Shell63Shell63 是是“ “ 薄薄”殼單元。殼單元。Shell63 Shell63 包含彎曲和薄包含彎曲和薄膜效應但忽略橫向剪切變形。膜效應但忽略橫向剪切變形。Reissner/Mindlin Reissner/Mindlin 理論理論 Shell43, 143, 181, 91, 93 Shell43, 143, 181, 91, 93 和和 99 99 是是“ 厚厚”殼單元殼單元。其包含彎曲、薄膜和橫向剪切效應。橫向剪切被

51、表。其包含彎曲、薄膜和橫向剪切效應。橫向剪切被表示為整個厚度上的常剪切應變示為整個厚度上的常剪切應變,這種一階近似只適用于這種一階近似只適用于“ 中等厚度中等厚度”殼體。殼體。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊平面變形中的殼單元平面變形中的殼單元 平面內殼的響應可認為是平面應力狀態(tài)，平面內殼的響應可認為是平面應力狀態(tài)，因此對于殼單因此對于殼單元不會出現(xiàn)體積鎖定問題。元不會出現(xiàn)體積鎖定問題。 ( (當絕對不可壓縮，泊松比當絕對不可壓縮，泊松比 = 0.5 = 0.5 時時Shell181 Shell

52、181 支持超彈性支持超彈性) ) 對于薄膜現(xiàn)象，殼單元的平面公式與平面實體單元的公對于薄膜現(xiàn)象，殼單元的平面公式與平面實體單元的公式相似式相似( (非協(xié)調模式非協(xié)調模式) )。Shell41, 43, 63 Shell41, 43, 63 和和 181 181 對于平面內變形支持非協(xié)調對于平面內變形支持非協(xié)調模式。模式。Shell181Shell181 也支持具有沙漏控制的一致縮減積分也支持具有沙漏控制的一致縮減積分 (缺省選缺省選項項)。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊殼單元推薦殼單元推薦線

53、性分析線性分析 如殼的厚度非常小采用如殼的厚度非常小采用 Shell63Shell63，Shell63Shell63單元不包單元不包含橫向剪切效應。含橫向剪切效應。 如橫向剪切變形重要，對于均勻材料采用如橫向剪切變形重要，對于均勻材料采用 Shell43, Shell43, Shell93Shell93或或 Shell143Shell143 ，對于復合材料采用對于復合材料采用 Shell91 Shell91 或或 Shell99Shell99 。 注意具有一致縮減積分注意具有一致縮減積分( (缺省缺省) )的單元的單元 Shell181Shell181 對大對大模型較快，但將需要較細的網格。模

54、型較快，但將需要較細的網格。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊殼單元推薦殼單元推薦非線性分析非線性分析 等向強化塑性和超彈性等向強化塑性和超彈性采用采用 Shell181Shell181。 其優(yōu)勢包括：較小的其優(yōu)勢包括：較小的 . .esav esav 文文件，較少的件，較少的 CPU CPU 時間，壓力載荷剛度效果，可以時間，壓力載荷剛度效果，可以導入初始應力，接觸分析中厚度變化。導入初始應力，接觸分析中厚度變化。運動強化塑性，蠕變運動強化塑性，蠕變采用采用 Shell143, Shell43

55、Shell143, Shell43 和和 Shell93Shell93。 Shell43 Shell43 和和 Shell143 Shell143 適用于小應變塑性，適用于小應變塑性，Shell93Shell93是彎曲是彎曲的殼的殼 ( (高階高階) )。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊梁單元梁單元 - 概述概述梁單元可用于分析主要受側向或橫向載荷的結構，典型梁單元可用于分析主要受側向或橫向載荷的結構，典型的梁應用包括：機器主軸，房屋構架，橋梁等。的梁應用包括：機器主軸，房屋構架，橋梁等。 AN

56、SYSANSYS中可用的兩個梁單元公式為：中可用的兩個梁單元公式為：Euler/Bernoulli Euler/Bernoulli 梁梁 Beam3 Beam3 和和 Beam4Beam4 包括彎曲、軸向和扭轉變形。橫向包括彎曲、軸向和扭轉變形。橫向剪切變形不包括于單元公式中剪切變形不包括于單元公式中 ( (但可作為柔性因子應但可作為柔性因子應用用) )。Timoshenko Timoshenko 梁梁 Beam188 Beam188 和和 Beam189Beam189 在單元公式中包括彎曲在單元公式中包括彎曲、軸向、軸向、扭轉和橫向剪切變形。、扭轉和橫向剪切變形。CFD Analysis with ANSYS/FLOTRANCFD Analysis with ANSYS/FLOTRAN培訓手冊梁單元推薦梁單元推薦線性分析線性分析 對于線性模型采用對于線性模型采用 Beam3, Beam4, Beam188 Beam3, Beam4, Beam188 或或 Beam189Beam189。 Beam