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ANSYS单元选取与计算精度

ANSYS单元选取与计算精度

ANSYS中常用的实体单元类型有solid45,solid92,solid185,solid187这几种。其中把solid45,solid185可以归为第一类,如果它们都是六面体单元,可以退化为四面体单元和棱柱体单元,单元的主要功能基本相同,(solid185还可以用于不可压缩超弹性材料)。solid92 solid187可以归为第二类,它们都是高阶单元每条边上均带中间节点,单元的主要功能基本相同。在ANSYS计算中选取单元的基本原则是优先选用大编号的单元类型。例如:对于第一类里面而言solid45和solid185单元,应该优先选用solid185。第二类里面应该优先选用solid187。ANSYS的单元类型是在不断发展和改进的,同样功能的单元,编号大的往往意味着在某些方面有优化或者增强。

solid185 是一种采用力与位移混合形状函数的线性单元,但可以退化为五面体或四面体单元。solid185支持大变形大应变,solid185单元用于构造三维固体结构。每个六面体单元有8个节点,在节点坐标系下每个节点有沿着x,y,z三个方向平移的自由度。solid185单元具有超弹性,应力钢化,蠕变,大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。

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图2.3 单元类型solid185

Fig.2.3 element type solid185

ANSYS软件中常见的板壳单元有shell63,shell181等,shell63,shell181可以归为一类,若不规则形状的四节点四边形单元可以退化成三节点三角形单元。优先选取单元大编号的单元。即所有薄壁筒形结构均用shell181平面四节点四边形等参元来分析。shell181适合分析薄的及中等厚度的板壳结构零件。该单元有四个结点,每个结点有六个自由度,即在节点坐标系方向上沿x,y,z方向的平动自由度和x,y,z方向的转动自由度。这种单元类型还支持线性,大扭转和大应变和变厚度非线性分析。它既能用完全法也可用缩减法,可用于

分布载荷及应力刚化,在ANSYS 中shell181单元的截面属性的ID 默认是1,极易与定义的梁截面的ID 冲突,所以计算时应需要注意。

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图2.4 单元类型shell81

Fig.2.4 element type shell181

shell181还可以用于多层复合材料模型,最大支持的层数为250层。板壳建模的精度由剪切变形理论决定。而shell63单元是弹性薄壳单元(不考虑剪切变形)。shell181单元包括横截面剪切变形的影响。采用Bathe-Drorkin 的假设剪切应变公式缓解剪切自锁效应。单元的横截面剪切刚度是下面所示的一个2×2的矩阵。

??

????=2221

1211E E E E E (2.13) 其中在式(2.13)中,E 11,E 12和E 22是单元的实常数(横向剪切刚度)你可以用指定不同的实常数取代横截面剪切刚度的默认值。这个选择对分析分层壳是有效的。

对于各向同性的单层壳,默认的横截面剪切刚度是:

??

????=kGh kGh E 00 (2.14)

其中在式(2.14)中,k 等于5.6,G 为剪切膜量,h 为壳的厚度。

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图2-5单元类型beam188

Fig.2.5 element type beam188

Beam188单元是3维线性有限应力梁。适合分析短粗梁结构。该单元是基于Timoshenko梁理论。它包含了剪应变。Beam188是一个三维线性(2节点)梁。每个节点有6或7个自由度,包括x,y,z方向的平动自由度和绕x,y,z方向三个方向的转动有时还考虑了扭转自由度。该单元适用于线性,大旋转和大应变非线性分析;Mass21单元是由6个自由度的点单元,它包括了x,y,z三个方向的平动自由度和绕x,y,z轴的旋转自由度。每个自由度的质量和惯性矩可分别定义。

ANSYS软件中对于简单结构计算,选取不同单元类型计算结果相差不大。但是对于复杂结构而言,相同的模型,选取不同的单元类型计算的结果是有很大的区别的,有些应力集中部位会相差100-200MPa,所以选取合适的单元类型十分重要。