ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實用建模方法與單元應(yīng)用

仿真分析系列叢書

ANSYS

ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實用

建模方法與單元應(yīng)用

胡凡金楊鋒苓等編著

中國鐵道出版社有限公司

年北京

2022·

內(nèi)容簡介

本書從工程結(jié)構(gòu)分類和用戶常見建模難點入手結(jié)合作者十余年來的科

ANSYSWorkbench,

研軟件教學(xué)經(jīng)驗歸納形成了基于工程結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)實用建模方法和一系列高級專題可幫助

、,,

讀者快速系統(tǒng)地掌握有限元分析的實用建模方法本書涉及的專題內(nèi)容包括工程結(jié)構(gòu)

、ANSYS。

分類單元類型選擇幾何模型準(zhǔn)備與參數(shù)化建模連續(xù)體單元與實體結(jié)構(gòu)建

、ANSYSWorkbench、、

模板殼單元與板殼結(jié)構(gòu)建模桿單元與桿系建模部件的接觸與連接組合結(jié)構(gòu)建?；?/p>

、、、、、

的有限元模型裝配技術(shù)在建模計算中的應(yīng)用溫

ExternalModel、RemotePoint、NamedSelection、

度場單元與熱分析建模技術(shù)結(jié)構(gòu)分析的求解技術(shù)要點單元算法與選項應(yīng)

、、ANSYS、Workbench

用技巧等本書提供了一系列精心設(shè)計的建模例題便于讀者對照自學(xué)部分例題還涉及多種建模

。,,

方法的對比研究建議結(jié)合結(jié)構(gòu)分析深入應(yīng)用與提高一書閱讀使用本書

?！禔NSYSWorkbench》。

本書適合于理工科研究生及高年級本科生學(xué)習(xí)有限元方法和軟件應(yīng)用課

ANSYSWorkbench

程時作為參考書也可供相關(guān)工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)型工程師作為學(xué)習(xí)和應(yīng)用結(jié)

,、ANSYSWorkbench

構(gòu)分析技術(shù)的參考書

。

圖書在版編目CIP數(shù)據(jù)

()

結(jié)構(gòu)分析實用建模方法與單元應(yīng)用胡凡金等

ANSYSWorkbench/

編著北京中國鐵道出版社有限公司

.—:,2022.2

仿真分析系列叢書

(ANSYS)

ISBN978-7-113-28443-5

胡建模結(jié)構(gòu)有限元分析應(yīng)用軟件

Ⅰ.①A…Ⅱ.①…Ⅲ.①

Ⅳ.①TU3-39

中國版本圖書館數(shù)據(jù)核字第號

CIP(2021)204532

仿真分析系列叢書

ANSYS

書名:ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實用建模方法與單元應(yīng)用

作者:胡凡金楊鋒苓等

策劃:陳小剛

責(zé)任編輯:馮海燕編輯部電話:

(010)51873170

封面設(shè)計:崔欣

責(zé)任校對:焦桂榮

責(zé)任印制:樊啟鵬

出版發(fā)行:中國鐵道出版社有限公司北京市西城區(qū)右安門西街號

(100054,8)

網(wǎng)址:

印刷:三河市興博印務(wù)有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202221202221

開本:印張:字?jǐn)?shù):千

787mm×1092mm1/1625.75636

書號:

ISBN978-7-113-28443-5

定價:元

68.00

版權(quán)所有侵權(quán)必究

凡購買鐵道版圖書如有印制質(zhì)量問題請與本社讀者服務(wù)部聯(lián)系調(diào)換電話

,,。:(010)51873174

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:(010)63549461

前言

本書從工程結(jié)構(gòu)分類和用戶常見建模難點入手,結(jié)合作

ANSYSWorkbench

者十余年來的科研、軟件教學(xué)經(jīng)驗,歸納形成了基于工程結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)實用建

模方法和一系列高級專題,可幫助讀者快速、系統(tǒng)地掌握有限元分析的實

ANSYS

用建模方法。主要內(nèi)容包括工程結(jié)構(gòu)分類、單元類型選擇、幾

ANSYSWorkbench

何模型準(zhǔn)備與參數(shù)化建模、連續(xù)體單元與實體結(jié)構(gòu)建模、板殼單元與板殼結(jié)構(gòu)建

模、桿單元與桿系建模、部件的接觸與連接、組合結(jié)構(gòu)建模、基于

ExternalModel

的有限元模型裝配、技術(shù)在建模計算中的應(yīng)用、、溫

RemotePointNamedSelection

度場單元與熱分析建模技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析的求解技術(shù)要點、單元算法與選項

ANSYS

等。本書提供了一系列精心設(shè)計的建模例題,便于讀者對照自學(xué),部分例題還涉

及多種建模方法的對比研究。

書中各章的具體內(nèi)容安排如下:

第章為有限元分析建模方法綜述,內(nèi)容包括工程結(jié)構(gòu)分類、

1Workbench

單元類型選擇、應(yīng)用基礎(chǔ)。

ANSYSANSYSWorkbench

第章為幾何模型準(zhǔn)備,內(nèi)容包括及創(chuàng)建和修改幾何、針對各種

2DMSCDM

結(jié)構(gòu)類型有限元建模的幾何準(zhǔn)備、參數(shù)化建模。

第章為連續(xù)實體單元與實體結(jié)構(gòu)建模,內(nèi)容包括常用實體單元算

3ANSYS

法與選項、和連續(xù)實體結(jié)構(gòu)建模方法與案例。

2D3D

第章為板殼單元與板殼結(jié)構(gòu)建模,內(nèi)容包括薄殼單元、實體殼單元

4ANSYS

的使用,板殼結(jié)構(gòu)建模方法與案例。

第章為桿件單元與桿系結(jié)構(gòu)建模,內(nèi)容包括桁架單元、梁單元的使

5ANSYS

用,桿系結(jié)構(gòu)與板梁組合結(jié)構(gòu)建模方法與案例。

第章為部件接觸連接與模型裝配,內(nèi)容包括部件接觸與連接、

6External

組件的使用與模型在導(dǎo)入、有限元模型的裝配等。

ModelAPDLWorkbench

第章為在結(jié)構(gòu)建模及計算中的應(yīng)用,內(nèi)容包括遠程點技術(shù)的

7RemotePoint

實質(zhì)、在建模和計算中的應(yīng)用等。

第章為的定義方法及其使用,詳細介紹了中

8NamedSelectionsMechanical

的多種命名選擇集合的指定及使用方法。

第章為溫度場單元與熱分析建模,內(nèi)容包括常用熱分析單元介紹、溫度場

9

2ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實用建模方法與單元應(yīng)用

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建模方法與案例等。

第章為結(jié)構(gòu)分析求解技術(shù)實現(xiàn)要點,對各種結(jié)構(gòu)分析類型的具體實現(xiàn)方

10

法作歸納性的講解,可幫助分析人員快速掌握相關(guān)的分析技術(shù)要點。

本書附錄部分收錄了常用單元的選項以及結(jié)構(gòu)分析組件

Workbench

中常用的快捷鍵。

Mechanical

本書適合于理工科專業(yè)研究生及高年級本科生在學(xué)習(xí)有限單元法和

ANSYS

應(yīng)用等課程時作為參考書,也可供學(xué)習(xí)和應(yīng)用的技術(shù)人員參

ANSYSWorkbench

考。建議結(jié)合《結(jié)構(gòu)分析深入應(yīng)用與提高》一書閱讀和使用

ANSYSWorkbench

本書。

本書主要由胡凡金、楊鋒苓負(fù)責(zé)編寫,王文強、夏峰、魏凱等也參與了編寫,并

為本書提供算例和資料,尚曉江博士為本書的編寫提供了很好的素材和思路,并

認(rèn)真審閱了本書的大部分初稿,是大家的共同努力,才使本書得以順利編寫完成。

編寫過程中,參考了一系列國內(nèi)外專業(yè)書籍、軟件手冊、研究報告及論文等文獻資

料,在此對相關(guān)文獻的作者也表示誠摯的謝意。此外,還要感謝中國鐵道出版社

有限公司編輯老師們的辛勤工作,他們負(fù)責(zé)、專業(yè)、認(rèn)真的態(tài)度讓本書的編排質(zhì)量

有了可靠的保障。

結(jié)構(gòu)建模與分析技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛,涉及眾多的領(lǐng)域,由于作者

ANSYS

認(rèn)識水平的局限,書中的不當(dāng)甚至錯誤之處在所難免,在此懇請讀者多多批評指

正。本書部分模型文件可到中國鐵道出版社有限公司網(wǎng)站專區(qū)(://

httpwww.m.

///)下載,也可與微信公眾號“洞察”聯(lián)系

2021120314415.shtmlFEA

獲取。與本書相關(guān)的技術(shù)問題討論,歡迎發(fā)郵件至郵箱:_。

consultstr@126.com

作者

年月

20219

目錄

第1章Workbench有限元分析建模方法綜述…………………

1

工程結(jié)構(gòu)分類與單元類型概述………………

1.1ANSYS1

基礎(chǔ)知識…………

1.2ANSYSWorkbench9

有限元分析建模流程與組件介紹………………

1.3ANSYSWorkbench25

第2章準(zhǔn)備幾何模型…………

69

使用創(chuàng)建或修改幾何……………

2.1DM69

使用創(chuàng)建或修改幾何…………

2.2SCDM97

參數(shù)化建模……………

2.3130

第3章ANSYS連續(xù)體單元與實體結(jié)構(gòu)建?！?/p>

140

連續(xù)實體單元的算法與特性解析……………………

3.1140

連續(xù)實體結(jié)構(gòu)建模方法與注意事項…………

3.2ANSYSWorkbench155

連續(xù)實體結(jié)構(gòu)的典型建模案例………

3.3196

第4章ANSYS板殼單元與板殼結(jié)構(gòu)建模…………………

227

板殼單元的算法與特性解析………………

4.1ANSYS227

板殼結(jié)構(gòu)建模方法與注意事項………

4.2229

板殼結(jié)構(gòu)的建模例題:水箱結(jié)構(gòu)………

4.3240

第5章ANSYS桿件單元與桿系結(jié)構(gòu)建模…………………

257

桿件單元的特性說明………

5.1ANSYS257

桿系結(jié)構(gòu)與板梁組合結(jié)構(gòu)的建模要點………………

5.2259

桿系與板梁組合結(jié)構(gòu)建模例題………

5.3264

第6章部件接觸連接與模型裝配……………

294

在中定義部件的接觸與連接關(guān)系………

6.1Mechanical294

外部模型的導(dǎo)入與裝配技術(shù)…………

6.2308

組合結(jié)構(gòu)及裝配體建模實例…………

6.3313

2ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實用建模方法與單元應(yīng)用

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第7章RemotePoint在結(jié)構(gòu)建模及計算中的應(yīng)用……………

328

的作用及定義方法……………………

7.1RemotePoint328

與相關(guān)的邊界條件與連接類型………

7.2RemotePoint334

第8章NamedSelections的定義方法及其使用………………

337

通過對象選擇方式定義…………

8.1NamedSelections337

邏輯選擇方式定義…………………

8.2WorksheetNamedSelections340

查看及使用定義的………………

8.3NamedSelection346

第9章溫度場單元及熱分析建模……………

350

熱分析單元特性簡介…………………

9.1350

溫度場分析建模………………………

9.2354

溫度場分析建模例題:散熱器的軸對稱模型…………

9.3359

第10章結(jié)構(gòu)分析求解技術(shù)實現(xiàn)要點………

368

結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)與設(shè)置…………………

10.1368

邊界條件與荷載的類型及施加方法…………………

10.2390

計算結(jié)果的查看與分析………………

10.3394

附錄A常用結(jié)構(gòu)分析單元的KEYOPT選項………………

400

附錄BMechanical界面常用快捷鍵匯總……………………

404

第1章Workbench有限元分析建模方法綜述

本章從工程結(jié)構(gòu)分類和特點出發(fā)介紹了各類結(jié)構(gòu)的建模思路常用單元類

,、Workbench

型的工作原理與基礎(chǔ)知識有限元分析的流程與組件等內(nèi)容為系統(tǒng)

、Workbench、Workbench,

學(xué)習(xí)有限元分析建模方法打下良好的基礎(chǔ)

Workbench。

1.1工程結(jié)構(gòu)分類與ANSYS單元類型概述

1.1.1工程結(jié)構(gòu)分類、特點與有限元建模思路

工程結(jié)構(gòu)按照其幾何以及受力特點可以分為連續(xù)體結(jié)構(gòu)桁架結(jié)構(gòu)梁結(jié)構(gòu)板

,(3D、2D)、、、

殼結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu)等類型本節(jié)介紹各種結(jié)構(gòu)類型的特點及其在中建

。ANSYSWorkbench

模的思路

。

連續(xù)實體結(jié)構(gòu)

1.(3D)

三維連續(xù)實體結(jié)構(gòu)是最為常見的結(jié)構(gòu)形式各種機電產(chǎn)品的零部件橋墩和建構(gòu)筑物的

,、()

基礎(chǔ)墩臺各種工業(yè)領(lǐng)域中的連接件受力分析等問題都是典型的連續(xù)實體結(jié)構(gòu)的受力問

、,3D

題這類問題的幾何特點是在三個方向上的尺度基本在同一數(shù)量級如圖所示為一些

。,。1-1

實體結(jié)構(gòu)的示例其中圖為機械支架結(jié)構(gòu)圖為齒輪零部件圖為電路

3D,1-1(a),1-1(b),1-1(c)

板結(jié)構(gòu)

。

圖

1-1

2ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實用建模方法與單元應(yīng)用

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圖連續(xù)實體結(jié)構(gòu)示例

1-13D

在有限元分析中通常采用二次插值的實體單元對連續(xù)實體進行離散四面體單元更

,3D,

是具有良好的復(fù)雜幾何適應(yīng)性因此得到了普遍的應(yīng)用需要指出的是理論上講盡管所有

,。,,

結(jié)構(gòu)都能夠用連續(xù)實體單元來建模但這往往是不現(xiàn)實的因此要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點選用合適

3D,,

的單元類型本節(jié)后面介紹的其他結(jié)構(gòu)形式都是實體在特定情況下的物理簡化這些簡

。3D,

化有效地提高了建模和計算的效率

。

連續(xù)實體結(jié)構(gòu)

2.(2D)

在特定情況下三維實體結(jié)構(gòu)可以被視作二維問題加以分析常見連續(xù)實體結(jié)構(gòu)類

,。2D

型包括平面應(yīng)力問題平面應(yīng)變問題空間軸對稱問題三種類型如圖所示為一些連

、、。1-22D

續(xù)實體結(jié)構(gòu)的示例其中圖為開孔板的平面應(yīng)力問題圖為重力壩的平面應(yīng)變

,:1-2(a);1-2(b)

問題圖左圖為實體由于是旋轉(zhuǎn)體任意一個軸向斷面的受力狀態(tài)均一致因此可

;1-2(c)3D,,,

以視作二維軸對稱問題建模和劃分單元

。

平面應(yīng)力問題

(1)

面內(nèi)尺寸遠大于其厚度的薄板荷載作用于面內(nèi)且沿厚度方向均勻分布沒有面外方向的荷

,,

載和位移約束這種情況即平面應(yīng)力問題深梁的受力問題就是一個典型的平面應(yīng)力問題在

,。。

中通常選擇位移二次插值的平面單元和選項來模擬這類問題

ANSYSWorkbench,PlaneStress。

圖

1-2

第1章Workbench有限元分析建模方法綜述3

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圖二維問題示例

1-2

平面應(yīng)變問題

(2)

無限長且橫截面沿軸向不變的結(jié)構(gòu)端部位移受到約束外荷載作用沿著平行于橫截面的

,,

方向且荷載和約束沿軸向分布無變化這種情況即平面應(yīng)變問題壩體隧道等問題都是典型

,。、

的平面應(yīng)變問題在中通常選擇位移二次插值的平面單元和

。ANSYSWorkbench,Plane

選項來模擬這類問題

Strain。

空間軸對稱問題

(3)

軸對稱問題常見于各種壓力容器散熱器結(jié)構(gòu)的分析中對于幾何形狀軸對稱的旋轉(zhuǎn)體如

、。,

果其所受到的荷載和約束也為軸對稱分布即旋轉(zhuǎn)方向的任意一個角度的子午面剖面受力狀

,()

態(tài)完全相同子午面內(nèi)的應(yīng)力分量與位移分量均與環(huán)向角度θ無關(guān)這種情況即空間軸對稱問題

,,。

在中通常選擇位移二次插值的二維單元和軸對稱選項來模擬這類問題

ANSYSWorkbench,。

桿系結(jié)構(gòu)

3.

桿系結(jié)構(gòu)是指由桿件單元組成的結(jié)構(gòu)形式桿件是在軸線方向尺寸遠大于橫截面尺寸的

。

受力構(gòu)件根據(jù)桿件受力特點通常又分為桁架結(jié)構(gòu)梁系結(jié)構(gòu)桁架梁組合結(jié)構(gòu)等類型

,,、、-。

圖為一系列桿系結(jié)構(gòu)的示例

1-3。

圖

1-3

4ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實用建模方法與單元應(yīng)用

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圖桿系結(jié)構(gòu)示例

1-3

桁架結(jié)構(gòu)

(1)

桁架結(jié)構(gòu)是桿系結(jié)構(gòu)的一種是由僅能承受軸向荷載的二力桿組成的結(jié)構(gòu)體系常見于

,。

各種屋架結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等桁架可以視作一種自然離散的結(jié)構(gòu)形式一根桿件就是一個單

、。,

元由于二力桿的特性兩個節(jié)點之間不需要也不可能進一步細分否則會形成機動體系

。,,。

梁系結(jié)構(gòu)

(2)

梁系結(jié)構(gòu)是由可承受力矩彎扭的桿件組成的結(jié)構(gòu)體系常見的各種空間框架結(jié)構(gòu)塔

(、)。、

架結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等都是梁系結(jié)構(gòu)在有限元分析中通常采用梁單元來模擬受彎桿件對于

、。,。

工程中常用的單軸或雙軸對稱截面需要為梁單元指定截面的方位梁單元和梁單元之間的

,。

節(jié)點連接處通常為剛接形式對于鉸接形式或半剛半鉸形式在中通過

,,WorkbenchEnd

方式處理此外工程中一類常見的管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中提供了管

Release。,,ANSYSWorkbench

單元來進行模擬這些單元在受力特點上實質(zhì)上也是梁但是能方便施加內(nèi)壓等管道荷載

,,。

桁架梁組合結(jié)構(gòu)

(3)-

桁架梁組合結(jié)構(gòu)是同時包含有桁架單元和梁單元的桿系結(jié)構(gòu)桁架單元為二力桿只能

-。,

承受軸力通常用作支撐構(gòu)件梁單元則用作主要受力構(gòu)件以受彎曲為主兩種單元組合

,。,。

時每一種單元的節(jié)點所具有的自由度是不同的桿單元的節(jié)點沒有轉(zhuǎn)角位移自由度

,。。

板殼結(jié)構(gòu)

4.

板殼結(jié)構(gòu)為厚度方向的尺寸顯著小于其面內(nèi)尺寸的結(jié)構(gòu)形式如各種薄壁結(jié)構(gòu)高層建筑

,、

剪力墻薄壁容器等都是板殼結(jié)構(gòu)的典型代表在有限元分析中通常采用單元來模

、。SHELL

擬板殼和薄壁結(jié)構(gòu)可定義厚度或橫截面支持變厚度以及多層復(fù)合材料的定義如圖所

,,。1-4

示為一些板殼結(jié)構(gòu)的示例

。

除了單元外還提供了實體殼單元用來模擬三維的變厚

SHELL,ANSYSWorkbench,

度薄殼以及中等厚度殼在劃分單元時按實體沿厚度掃掠劃分即可因此無需抽取中面

,,。

此單元的具體使用請參考本書后續(xù)有關(guān)章節(jié)如圖所示為一個變厚度的實體殼結(jié)構(gòu)

,。1-5

實例

。

第1章Workbench有限元分析建模方法綜述5

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圖板殼結(jié)構(gòu)示例

1-4

圖變厚度的厚殼結(jié)構(gòu)

1-5

6ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實用建模方法與單元應(yīng)用

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組合結(jié)構(gòu)

5.

由上述各種結(jié)構(gòu)形式組合而成的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱組合結(jié)構(gòu)由于二維實體不可能與其他類型的

。

結(jié)構(gòu)進行組合因此組合結(jié)構(gòu)一般是三維實體板殼以及梁之間的組合可以是任意兩種類型

,、,

的組合或者是三者的組合如圖和圖所示為梁殼組合結(jié)構(gòu)包含梁單元以及殼單元

。1-61-7-,,

并涉及梁的截面偏置

。

圖帶有加勁梁的殼體結(jié)構(gòu)圖球罐容器及支撐結(jié)構(gòu)

1-61-7

如圖所示為實體和梁以及實體和薄殼的組合結(jié)構(gòu)這類組合結(jié)構(gòu)中實體單元的節(jié)點

1-8,,

沒有轉(zhuǎn)角位移自由度與梁薄殼等單元類型連接時需要借助于多點約束方程技術(shù)實

,、,MPC

現(xiàn)模型的連接在中通常采用基于多點約束方程算法的接觸表面來連接

。ANSYSWorkbench

這兩種不同類型的單元當(dāng)然接觸也可以連接不共享節(jié)點的相同類型的單元如在公共界面不

,(

共享節(jié)點的實體部件之間這一技術(shù)涉及的面面接觸單元以及線面接觸單元類

)。ANSYS--

型相關(guān)細節(jié)將在后面組合結(jié)構(gòu)的章節(jié)中進行講解

,。

圖實體梁殼體組合結(jié)構(gòu)實例

1-8-/

結(jié)構(gòu)簡化及抽象單元類型

6.

在有限元分析中通常涉及到結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)抽象或簡化比如分析時可以將一些彈性部件

,。,

簡化為剛度等效的彈簧這就涉及到彈簧單元的使用在中提供了線性以及非線

,。Workbench

性的連接單元類型這些單元中還可以定義平行的阻尼器又比如在整體建模中經(jīng)常將特定

,。,

第1章Workbench有限元分析建模方法綜述7

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的非結(jié)構(gòu)部件簡化為一個與其他結(jié)構(gòu)件妥善連接的質(zhì)量點在中采用質(zhì)

,ANSYSWorkbench

量單元來模擬集中質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量

。

1.1.2ANSYSWorkbench建模常用的單元類型

本節(jié)首先介紹結(jié)構(gòu)分析的單元庫然后介紹在中建模選用

ANSYS,ANSYSWorkbench

單元類型的原則和方法

。

單元庫與常用單元類型

1.ANSYS

結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器包含了一個十分豐富的單元庫在這個單元庫中的每種單元都

ANSYS,

有唯一的名稱的單元名稱通常由單元類型標(biāo)識符和單元編號兩部分組成如節(jié)

。ANSYS,:20

點實體單元的名稱為其中表示單元類型為實體單元表示這一單元類

SOLID186,SOLID,186

型的編號

。

求解器提供的單元類型包括有桿單元梁單元管單

ANSYSLINK()、BEAM()、PIPE(

元殼單元實體單元實體殼單元實體單

)、SHELL()、SOLID(3D)、SOLSH()、PLANE(2D

元彈簧阻尼單元質(zhì)量單元接觸單元目標(biāo)單元

)、COMBIN()、MASS()、CONTA()、TARGE()

等這些單元類型可用來模擬不同類型結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件及其連接在結(jié)

,。ANSYSWorkbench

構(gòu)建?？赡軙玫降膯卧愋图捌浜喗樾畔R總列于表中