ANSYS不同單元之間耦合

2016-10-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

論壇里常有人問不同單元之間的連接問題,我自己也一直被這個問題所困繞,最近從ANSYS工程分析進階實例上知道了ANSYS中不同單元之間的連接原則。感覺收收獲不小,現(xiàn)把它上傳與大家共享。
一般來說,按“桿梁殼體”單元順序,只要后一種單元的自由度完全包含前一種單元的自由度,則只要有公共節(jié)點即可,不需要約束方程,否則需要耦合自由度與約事方程。例如:
(1)桿與梁、殼、體單元有公共節(jié)點即可,不需要約束方程。
(2)梁與殼有公共節(jié)點怒可,也不需要約束寫約束方程;殼梁自由度數(shù)目相同,自由度也相同,盡管殼的rotz是虛的自由度,也不妨礙二者之間的關系,這有點類同于梁與桿的關系。
(3)梁與體則要在相同位置建立不同的節(jié)點 ,然后在節(jié)點處耦合自由度與施加約束方程。
(4)殼與體則也要相同位置建立不同的節(jié)點 ,然后在節(jié)點處耦合自由度與施加約束方程。

例如:

桿與梁、殼、體單元有公共節(jié)點即可,不需要約束方程。
梁與殼有公共節(jié)點即可,也不需要約束寫約束方程;殼梁自由度數(shù)目相同,自由度也相同,盡管殼的rotz是虛的自由度,也不妨礙二者之間的關系,這有點類同于梁與桿的關系。
梁與體則要在相同位置建立不同的節(jié)點,然后在節(jié)點處耦合自由度與施加約束方程。
殼與體則也要相同位置建立不同的節(jié)點 ,然后在節(jié)點處耦合自由度與施加約束方程。

舉例:

有一長為100mm的矩形截面梁,截面為10X1mm,與一規(guī)格為20mmX7mmX10mm的實體連接,約束實體的端面,在梁端施加大小為3N的y方向的壓力,梁與實體都為一材料,彈性模量為30Gpa,泊松比為0.3。本例主要講解梁與實體連接處如何利用耦合及約束方程進行處理。

命令流如下:

FINI

/CLE

/FILNAME,BEAM_AND_SOLID_ELEMENTS_CONNECTION !定義工作文件名

/TITLE,COUPLE_AND_CONSTRAINT_EQUATION !定義工作名

/PREP7

ET,1,SOLID95 !定義實體單元類型為SOLID95

ET,2,BEAM4 !定義梁單元類型為BEAM4

MP,EX,1,3E4 !定義材料的彈性模量

MP,PRXY,1,0.3 !定義泊松比

R,1 !定義實體單元實常數(shù)

R,2,10.0,10/12.0,1000/12.0,10.0,1.0 !定義梁單元實常數(shù)

BLC4,,,20,7,10 !創(chuàng)建矩形塊為實體模型

WPOFFS,0,3.5 !將工作平面向Y方向移動3.5

WPROTA,0,90 !將工作平面繞X軸旋轉90度

VSBW,ALL !將實體沿工作平面剖開

WPOFFS,0,5 !將工作平面向Y方向移動5

WPROTA,0,90 !將工作平面繞X軸旋轉90度

VSBW,ALL !將實體沿工作平面剖開

WPCSYS,-1 !將工作平面設為與總體笛卡兒坐標一致

K,100,20,3.5,5 !創(chuàng)建關鍵點

K,101,120,3.5,5 !創(chuàng)建關鍵點

L,100,101 !連接關鍵點生成梁的線實體

LSEL,S,LOC,X,21,130 !選擇梁線

LATT,1,2,2 !指定梁的單元屬性

LESIZE,ALL,,,10 !指定梁上的單元份數(shù)

LMESH,ALL !劃分梁單元

VSEL,ALL !選擇所有實體

VATT,1,1,1 !設置實體的單元屬性

ESIZE,1 !指定實體單元尺寸

MSHAPE,0,2D !設置實體單元為2D

MSHKEY,1 !設置為映射網(wǎng)格劃分方法

VMESH,ALL !劃分實體單元

ALLS !全選

FINI !退出前處理

/SOLU !進入求解器

ASEL,S,LOC,X,0 !選擇實體的端面

DA,ALL,ALL !約束實體端面

ALLS !全選

FK,101,FY,-3.0 !在兩端施加Y向壓力

CP,1,UX,1,21 !耦合節(jié)點1和節(jié)點21X方向自由度

CP,2,UY,1,21 !耦合節(jié)點1和節(jié)點21Y方向自由度

CP,3,UZ,1,21 !耦合節(jié)點1和節(jié)點21Z方向自由度

CE,1,0,626,UX,1,2328,UX,-1,1,ROTY,-ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !設置約束方程

CE,2,0,67,UX,1,4283,UX,-1,1,ROTZ,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !設置約束方程

CE,3,0,67,UZ,1,4283,UZ,-1,1,ROTX,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !設置約束方程

ALLS !全選

SOLVE !保存

FINI !退出求解器

/POST1 !進入通用后處理

PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !顯示Y方向位移

PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !顯示等效應力

ETABLE,ZL1,SMISC,1 !讀取梁單元上I節(jié)點X方向的力

ETABLE,ZL2,SMISC,7 !讀取梁單元上J節(jié)點X方向的力

ETABLE,MZ1,SMISC,6 !讀取梁單元上I節(jié)點Z方向的力矩

ETABLE,MZ2,SMISC,12 !讀取梁單元上J節(jié)點Z方向的力矩

PLETAB,ZL1 !顯示梁單元X方向的力

PLETAB,MZ1 !顯示梁單元Z方向力矩

    上面所述的不同單元之間的接連方法主要是用耦合自由度和約束方程來實現(xiàn)的,有一定的局限性,只適用于小位移,下面介紹一種支持大位移算法的方法,MPC法。
        MPC即Multipoint Constraint,多點約束方程,其原理與前面所說的方程的技術幾乎一致,將不連續(xù)、自由度不協(xié)調的單元網(wǎng)格連接起來,不需要連接邊界上的節(jié)點完全一一對應。
MPC能夠連接的模型一般有以下幾種。
solid 模型-solid 模型
shell模型-shell模型
solid 模型-shell 模型
solid 模型-beam 模型
shell 模型-beam模型
     在 ANSYS中,實現(xiàn)上述MPC技術有三種途徑。
(1)通過MPC184單元定義模型的剛性或者二力桿連接關系。定義MPC184單元模型與定義桿的操作完全一致,而MPC單元的作用可以是剛性桿(三個自由度的連接關系)或者剛性梁(六個自由度的連接關系)。
(2)利用約束方程菜單路徑Main Menu>preprocessor>Coupling/Ceqn>shell/solid Interface創(chuàng)建殼與實體模型之間的裝配關系。
(3)利用ANSYS接觸向導功能定義模型之間的裝配關系。選擇菜單路徑Main Menu>preprocessor>Modeling>Creat>Contact Pair,彈出一序列的接觸向導對話框,按照提示進行操作,在創(chuàng)建接觸對前,單擊Optional setting按鈕彈出Contact properties對話框,將Basic選項卡中的Contact algorithm即接觸算法設置為MPC algorithm?；蛘?在定義完接觸對后,再將接觸算法修改為MPC   algorithm,就相當于定義MPC多點約束關系進行多點約束算法。

單元類型的選擇問題

初學ANSYS的人,通常會被ANSYS所提供的眾多紛繁復雜的單元類型弄花了眼,如何選擇正確的單元類型,也是新手學習時很頭疼的問題。
     單元類型的選擇,跟你要解決的問題本身密切相關。在選擇單元類型前,首先你要對問題本身有非常明確的認識,然后,對于每一種單元類型,每個節(jié)點有多少個自由度,它包含哪些特性,能夠在哪些條件下使用,在ANSYS的幫助文檔中都有非常詳細的描述,要結合自己的問題,對照幫助文檔里面的單元描述來選擇恰當?shù)膯卧愋汀?br /> 1.該選桿單元(Link)還是梁單元(Beam)?
這個比較容易理解。桿單元只能承受沿著桿件方向的拉力或者壓力,桿單元不能承受彎矩,這是桿單元的基本特點。
梁單元則既可以承受拉,壓,還可以承受彎矩。如果你的結構中要承受彎矩,肯定不能選桿單元。
對于梁單元,常用的有beam3,beam4,beam188這三種,他們的區(qū)別在于:
1)beam3是2D的梁單元,只能解決2維的問題。
2)beam4是3D的梁單元,可以解決3維的空間梁問題。
3)beam188是3D梁單元,可以根據(jù)需要自定義梁的截面形狀。
2.對于薄壁結構,是選實體單元還是殼單元?
      對于薄壁結構,最好是選用shell單元,shell單元可以減少計算量,如果你非要用實體單元,也是可以的,但是這樣計算量就大大增加了。而且,如果選實體單元,薄壁結構承受彎矩的時候,如果在厚度方向的單元層數(shù)太少,有時候計算結果誤差比較大,反而不如shell單元計算準確。
      實際工程中常用的shell單元有shell63,shell93。shell63是四節(jié)點的shell單元(可以退化為三角形),shell93是帶中間節(jié)點的四邊形shell單元(可以退化為三角形),shell93單元由于帶有中間節(jié)點,計算精度比shell63更高,但是由于節(jié)點數(shù)目比shell63多,計算量會增大。對于一般的問題,選用shell63就足夠了。
     除了shell63,shell93之外,還有很多其他的shell單元,譬如shell91,shell131,shell163等等,這些單元有的是用于多層鋪層材料的,有的是用于結構顯示動力學分析的,一般新手很少涉及到。通常情況下,shell63單元就夠用了。
3.實體單元的選擇。
      實體單元類型也比較多,實體單元也是實際工程中使用最多的單元類型。

常用的實體單元類型有solid45, solid92,solid185,solid187這幾種。

其中把solid45,solid185可以歸為第一類,他們都是六面體單元,都可以退化為四面體和棱柱體,單元的主要功能基本相同,(SOLID185還可以用于不可壓縮超彈性材料)。Solid92, solid187可以歸為第二類,他們都是帶中間節(jié)點的四面體單元,單元的主要功能基本相同。

     實際選用單元類型的時候,到底是選擇第一類還是選擇第二類呢?也就是到底是選用六面體還是帶中間節(jié)點的四面體呢?
     如果所分析的結構比較簡單,可以很方便的全部劃分為六面體單元,或者絕大部分是六面體,只含有少量四面體和棱柱體,此時,應該選用第一類單元,也就是選用六面體單元;如果所分析的結構比較復雜,難以劃分出六面體,應該選用第二類單元,也就是帶中間節(jié)點的四面體單元。
    新手最容易犯的一個錯誤就是選用了第一類單元類型(六面體單元),但是,在劃分網(wǎng)格的時候,由于結構比較復雜,六面體劃分不出來,單元全部被劃分成了四面體,也就是退化的六面體單元,這種情況,計算出來的結果的精度是非常糟糕的,有時候即使你把單元劃分的很細,計算精度也很差,這種情況是絕對要避免的。
     六面體單元和帶中間節(jié)點的四面體單元的計算精度都是很高的,他們的區(qū)別在于:一個六面體單元只有8個節(jié)點,計算規(guī)模小,但是復雜的結構很難劃分出好的六面體單元,帶中間節(jié)點的四面體單元恰好相反,不管結構多么復雜,總能輕易地劃分出四面體,但是,由于每個單元有10個節(jié)點,總節(jié)點數(shù)比較多,計算量會增大很多。
     前面把常用的實體單元類型歸為2類了,對于同一類型中的單元,應該選哪一種呢?通常情況下,同一個類型中,各種不同的單元,計算精度幾乎沒有什么明顯的差別。選取的基本原則是優(yōu)先選用編號高的單元。比如第一類中,應該優(yōu)先選用solid185。第二類里面應該優(yōu)先選用solid187。ANSYS的單元類型是在不斷發(fā)展和改進的,同樣功能的單元,編號大的往往意味著在某些方面有優(yōu)化或者增強。
       對于實體單元,總結起來就一句話:復雜的結構用帶中間節(jié)點的四面體,優(yōu)選solid187,簡單的結構用六面體單元,優(yōu)選solid185。

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