内容发布更新时间 : 2024/9/18 16:53:40星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
ANSYS建模中单元类型的选择及实例应用
[摘要]:本文对大型通用有限元软件ANSYS的单元类型进行了分析,并以有限元模型为例进行了分析,将计算结果与试验数据作对比。
关键词: ANSYS;单元;实例
1引言
目前,设计工作大多数是依靠设计人员的设计经验进行结构设计,而设计结果并非是最优化的,也没有一种方法去判断其优化的程度,例如,为了满足强度要求,没有特别注意其结构质量及尺寸等,从而影响整个系统的结构分配。有限元分析是计算机诞生以后,在数学、力学和工程科学领域最有效的计算方法[1]。而目前最流行的有限元分析软件ANSYS,当你开始建模时用户将做多决定以确定如何来对物理系统进行数值模拟,分析目标是什么;模型是全部或仅是物理系统的部分;模型将包含多少细节;选择什么样的单位;有限元网格用多大的密度,总之,你将对要回答问题的计算费用及结果进行平衡考虑,你在规划阶段作出的这些决定将大体上控制你分析的成功与否。
2单元的分类
2.1按形状分类
1)点单元:几何形状为点型的结构,可用MASS单元模拟,MASS单元主要用于动力学分析质量块结构的模拟;2)线单元:几何形状为线型结构,可用LINK、BEAM模拟,LINK单元用于桁架、螺栓、螺杆等连接件的模拟;BEAM单元主要用于梁、螺栓、螺杆、连接件等的模拟;3)面单元:PLANE、SHELL;4)体单元:SOLID。
2.2按单元阶次分类
1)线性单元:对于结构分析问题,单元内的位移数值按线性变化,因而每个单元的盈利状态是保持不变的;2)二次单元:对于结构分析问题,单元内的位移数值按二次函数变化,因此没个单元内的应力状态是线性变化的;3)P单元:对于结构分析问题,单元内的位移数值按二阶到八阶函数变化,而且具有求解收敛自动控制功能,自动确定各位置上应采用的函数阶数[2]。
3 单元介绍
1)MASS单元:主要用于几何形状为点型且动力学分析质量块结构的模拟;2)LINK单元:用于桁架、螺栓、螺杆等连接件的模拟;3)BEAM单元:用于梁、螺栓、螺杆、连接件等的模拟;4)PIPE单元:用于管道、管件等结构的模拟;5)COMBIN单元:用于弹簧,细长构件等的模拟;6)SHELL单元:主要用于薄板或曲面结构的模拟,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;7)PLANE单元:用于总体之间坐标系下X-Y平面内结构平面应力、平面应变、轴对称和谐结构问题;8)SOLID单元:主要用于三维是实体结构的模拟。下图为几种典型的应用场合。
4单元类型通用选择方法
1)设定无力场过滤菜单,将单元全集缩小到该物理场涉及的单元;2)根据模型的几何形状选定单元的大类,如线性结构则只能选择LINK、BEAM等单元去模拟;3)根据模型的空间维数细化单元的类型,如确定为“BEAM”单元大类后,在对话框的右栏中,有“2D”和“3D”的单元分类,则格局结构的维数继续缩小单元类型选择的范围;4)确定单元的大类后,有时也可以根据单元阶次来细分单元的小类,如确定维“Solid-Quad”此时有四种单元类型:Quad 4node 42、 Quad 4node 183、Quad 8node 82、Quad 8node 183,前两组即为低阶单元,后两组则为高阶单元;5)根据单元的形状细分单元的小类,如对三维实体,此时则可以根据单元形状是“六面体”还是“四面体”,确定单元类型是“Brick”“Tet”;6)根据分析问题的性质选择单元类型,如确定为2D的Beam单元后,此时有三种单元类型可以选择:2D elastic 3、2D plastic 23 、2D tapered 54,根据分析问题是弹性还是塑性确定是“Beam3”还是“Beam4”,若是变截面的非对称的问题则用“Beam54”;7)单元阶次直接影响单元形函数的阶次,一般说来。形函数阶次越高,计算结果越精确,因而同线性单元相比,采用高阶的单元类型可以得到相对较好的计算结果。8)单元阶次的选择使用需要在计算精度和计算规模间衡量:9)线性单元的严重扭曲变形可能引起计算精度的下降,而更高阶的单元对这种扭曲变形不敏感,此时可考虑使用高阶单元;10)对于模型中,有曲边或曲面存在时,通常推荐使用高阶单元,以获得较高的曲面精度;11)单元阶次对求解的精度影响,相对平面单元和三维实体单元之间简化的差别来说,影响要小的多,因而使用线性单元的场合比较多。
6结束语
ANSYS的单元库提供了100多种单元类型,针对ANSYS软件特点,本文结合具体实例,将单元的选择范围缩小到少数几个单元上,并对两种单元类型的选择进行了探索,提出了各自的优缺点。在实际工程应用中可根据具体问题具体分析,使用最为适合的方法进行选择。
参考文献
[1] 刘淘、杨凤鹏. 精通ANSYS,北京:清华大学出版社,2003:1～124。
[2] 刘国庆 杨庆东, ANSYS工程应用教程(机械篇),北京:中国铁道出版社;2004.03:34～36
[3] 尚晓江 邱峰 ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用(第二版) ,北京:中国水利水电出版社;2008 .05