第10章 單元屬性

1、第第10章章 單元屬性單元屬性 單元屬性是指在劃分網(wǎng)格以前必須指定的所分析對象單元屬性是指在劃分網(wǎng)格以前必須指定的所分析對象 的特征。這些特征包括：的特征。這些特征包括： 材料屬性（材料屬性（Steel、aluminum、Plastic等）等） -MAT 單元類型（實體單元、梁單元、殼單元等）單元類型（實體單元、梁單元、殼單元等） -TYPE 實常數(shù)（殼單元厚度、梁單元橫截面等）實常數(shù)（殼單元厚度、梁單元橫截面等） -REAL 10.1 材料屬性材料屬性 vANSYS所有的分析都需要輸入材料屬性所有的分析都需要輸入材料屬性- 例如例如 在結(jié)構(gòu)分析至少要輸入材料的楊氏模量在結(jié)構(gòu)分析至少要輸入材料

2、的楊氏模量EXX，熱，熱 分析至少要輸入材料的導(dǎo)熱系數(shù)等分析至少要輸入材料的導(dǎo)熱系數(shù)等KXX v定義材料性質(zhì)的兩種方法定義材料性質(zhì)的兩種方法: 材料庫材料庫 單獨定義單獨定義 10.1 材料屬性材料屬性(續(xù)續(xù)) 10.1 材料屬性材料屬性(續(xù)續(xù)) 10.2 從材料庫選取材料從材料庫選取材料 v先定義庫的路徑先定義庫的路徑 Preprocessor Material Props Material Library Library Path 或使用或使用 /MPLIB 命令命令 輸入要讀取的材輸入要讀取的材 料數(shù)據(jù)的位置料數(shù)據(jù)的位置 10.2 從材料庫選取材料從材料庫選取材料(續(xù)續(xù)) v接著從庫中輸

3、入一種材料接著從庫中輸入一種材料 Preprocessor Material Library Import Library v選擇單位制。這僅僅用來篩選后續(xù)對話框中所列的文件，選擇單位制。這僅僅用來篩選后續(xù)對話框中所列的文件， ANSYS 本身沒有單位制的概念，也不進行單位換算本身沒有單位制的概念，也不進行單位換算 v選擇想要的材料文件，如鋼選擇想要的材料文件，如鋼 AISI C1020. 或使用或使用 MPREAD 命令中的命令中的 LIB選項選項. 10.3 單獨指定材料屬性單獨指定材料屬性 v這種方法通過這種方法通過 材料模型材料模型 GUI方式直接指定想要的材方式直接指定想要的材 料性

4、質(zhì)，以取代選擇材料名稱。料性質(zhì)，以取代選擇材料名稱。 10.3 單獨指定材料屬性單獨指定材料屬性(續(xù)續(xù)) v先定義好材料類型的結(jié)構(gòu)樹先定義好材料類型的結(jié)構(gòu)樹 v接著輸入單個材料的性質(zhì)值接著輸入單個材料的性質(zhì)值 v或使用或使用 MP 命令命令 mp,ex,1,30e6 mp,prxy,1,.3 10.3 單獨指定材料屬性單獨指定材料屬性(續(xù)續(xù)) v添加與溫度相關(guān)的材料性質(zhì)添加與溫度相關(guān)的材料性質(zhì) v繪出性質(zhì)繪出性質(zhì)-溫度曲線溫度曲線 10.3 單獨指定材料屬性單獨指定材料屬性(續(xù)續(xù)) v從一個材料表復(fù)制材料模型到另一個材料表從一個材料表復(fù)制材料模型到另一個材料表 v刪除材料模型刪除材料模型 10

5、.4 ANSYS分析中的單位制分析中的單位制 除了磁場分析以外，用戶不需要告訴除了磁場分析以外，用戶不需要告訴ANSYS使用的使用的 是什么單位制。只需要自己決定使用何種單位制，是什么單位制。只需要自己決定使用何種單位制， 然后確保所有輸入的值的單位制保持統(tǒng)一然后確保所有輸入的值的單位制保持統(tǒng)一 (ANSYS 并不轉(zhuǎn)換單位制并不轉(zhuǎn)換單位制)。ANSYS讀入輸入的數(shù)值，并不檢讀入輸入的數(shù)值，并不檢 驗單位制是否正確。驗單位制是否正確。(注意注意: /UNITS 命令只是一種簡命令只是一種簡 單的記錄，告訴別的人現(xiàn)在使用的單位制單的記錄，告訴別的人現(xiàn)在使用的單位制) 單位制將影響輸入的實體模型尺寸

6、、材料屬性、實單位制將影響輸入的實體模型尺寸、材料屬性、實 常數(shù)以及載荷等。常數(shù)以及載荷等。 10.5 單元種類單元種類 v單元類型是一個重要的選項，該選項決定如下的單單元類型是一個重要的選項，該選項決定如下的單 元特性元特性: 自由度自由度 (DOF)設(shè)置設(shè)置-例如，一個熱單元類型有一例如，一個熱單元類型有一 個自由度：個自由度：TEMP，而一個結(jié)構(gòu)單元類型可能有，而一個結(jié)構(gòu)單元類型可能有 6個自由度：個自由度： UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ. 單元形狀單元形狀 - 塊塊,四面體四面體, 四邊形四邊形,三角形等三角形等 維數(shù)維數(shù) - 2-D (僅有僅有X-Y 平面

7、平面), or 3-D 假定的位移形函數(shù)假定的位移形函數(shù) - 線性及二次線性及二次 10.5 單元種類單元種類(續(xù)續(xù)) 常用單元的形狀常用單元的形狀 . 點點 (質(zhì)量質(zhì)量) 線線(彈簧彈簧,梁梁,桿桿,間隙間隙) 面面(薄殼薄殼, 二維實體二維實體, 軸對稱實體軸對稱實體) 體體(三維實體三維實體) 線性線性 . . . . 二次二次 . . . . . 線性線性 . . . . . . . . . . . . 二次二次 . . . . . . . . 10.5 單元種類單元種類(續(xù)續(xù)) 在單元手冊在單元手冊(資料或在線幫助資料或在線幫助)中，中，ANSYS單元庫有單元庫有 150多種單元類型

8、，其中許多單元具有好幾種可選多種單元類型，其中許多單元具有好幾種可選 擇特性來勝任不同的功能。你要做的工作就是將單擇特性來勝任不同的功能。你要做的工作就是將單 元的選擇范圍縮小到少數(shù)幾個單元上。元的選擇范圍縮小到少數(shù)幾個單元上。 具體單元名稱具體單元名稱 單元圖示單元圖示 ANSYS 單元名稱單元名稱 單元特性單元特性 (類別類別, 編號編號) 10.5 單元種類單元種類(續(xù)續(xù)) 在結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)決定單元類型的在結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)決定單元類型的 選擇。選擇。 選擇選擇維數(shù)最低維數(shù)最低的單元去獲得預(yù)期的結(jié)果的單元去獲得預(yù)期的結(jié)果(盡量做到盡量做到 能選擇點而不選擇線能選擇點而

9、不選擇線，能選擇線而不選擇平面，能選擇線而不選擇平面， 能選擇平面而不選擇殼，能選擇殼而不選擇三維能選擇平面而不選擇殼，能選擇殼而不選擇三維 實體實體)。 對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當考慮建立兩個或者更多的不對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當考慮建立兩個或者更多的不 同復(fù)雜程度的模型。你可以建立簡單模型，對結(jié)同復(fù)雜程度的模型。你可以建立簡單模型，對結(jié) 構(gòu)承載狀態(tài)或采用不同分析選項作實驗性探討。構(gòu)承載狀態(tài)或采用不同分析選項作實驗性探討。 10.5.1 線單元線單元 Beam(梁梁)單元是用于螺栓單元是用于螺栓(桿桿)，薄，薄 壁管件，壁管件，C形截面構(gòu)件，角鋼或者形截面構(gòu)件，角鋼或者 狹長薄膜構(gòu)件狹長薄膜構(gòu)件(只有膜應(yīng)力

10、和彎應(yīng)只有膜應(yīng)力和彎應(yīng) 力的情況力的情況)等模型。等模型。 Spar(桿桿)單元是用于彈簧，螺桿，單元是用于彈簧，螺桿， 預(yù)應(yīng)力螺桿和薄膜桁架等模型預(yù)應(yīng)力螺桿和薄膜桁架等模型。 Spring單元是用于彈簧，螺桿，或單元是用于彈簧，螺桿，或 細長構(gòu)件，或通過剛度等效替代細長構(gòu)件，或通過剛度等效替代 復(fù)雜結(jié)構(gòu)等模型復(fù)雜結(jié)構(gòu)等模型。 10.5.2 殼單元殼單元 Shell (殼殼)單元用于薄面板或曲面模型。單元用于薄面板或曲面模型。 殼單元分析應(yīng)用的基本原則是每塊面板的殼單元分析應(yīng)用的基本原則是每塊面板的 主尺寸不低于其厚度的主尺寸不低于其厚度的10倍。倍。 10.5.3 X-Y平面單元平面單元 在

11、整體笛卡爾在整體笛卡爾X-Y平面內(nèi)平面內(nèi)(模型必須建在此面內(nèi)模型必須建在此面內(nèi))，有，有 幾種類型的幾種類型的ANSYS單元可以選用。單元可以選用。其中任何一種單其中任何一種單 元類型只允許有平面應(yīng)力、平面應(yīng)變元類型只允許有平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、軸對稱、和軸對稱、和/ 或者諧結(jié)構(gòu)特性?；蛘咧C結(jié)構(gòu)特性。 平面應(yīng)力或應(yīng)變平面應(yīng)力或應(yīng)變: I J K,L,O PN M Triangular Option O K N J M P L I Y (or Axial) X (or Radial) 10.5.3.1 平面應(yīng)力平面應(yīng)力 平面應(yīng)力平面應(yīng)力 假定在假定在Z方向上的應(yīng)力為零，主要有以下方向上的應(yīng)力為零，

12、主要有以下 特點：特點： 4當當Z方向上的幾何尺寸遠遠小于方向上的幾何尺寸遠遠小于X和和Y方向方向上的尺寸才有上的尺寸才有 效。效。 4所有的載荷均作用在所有的載荷均作用在XY平面內(nèi)。平面內(nèi)。 4在在Z方向上存在應(yīng)變。方向上存在應(yīng)變。 4運動只在運動只在XY平面內(nèi)發(fā)生。平面內(nèi)發(fā)生。 4允許具有任意厚度允許具有任意厚度 (Z方向上方向上) 。 平面應(yīng)力平面應(yīng)力 分析是用來分分析是用來分 析諸如承受面內(nèi)載荷的平析諸如承受面內(nèi)載荷的平 板、承受壓力或遠離中心板、承受壓力或遠離中心 載荷的薄圓盤等結(jié)構(gòu)。載荷的薄圓盤等結(jié)構(gòu)。 10.5.3.2 平面應(yīng)變平面應(yīng)變 平面應(yīng)變平面應(yīng)變 假定在假定在Z方向的應(yīng)變

13、為零，主要具有以方向的應(yīng)變?yōu)榱?，主要具有?下特點：下特點： 4當當Z方向上的幾何尺寸遠遠大于方向上的幾何尺寸遠遠大于X和和Y方向方向上的尺寸才上的尺寸才 有效。有效。 4所有的載荷均作用在所有的載荷均作用在XY平面內(nèi)。平面內(nèi)。 4在在Z方向上存在應(yīng)力。方向上存在應(yīng)力。 4運動只在運動只在XY平面內(nèi)發(fā)生。平面內(nèi)發(fā)生。 平面應(yīng)變分析平面應(yīng)變分析是用于分析那是用于分析那 種一個方向的尺寸（指定為種一個方向的尺寸（指定為 總體總體Z方向）遠遠大于其它方向）遠遠大于其它 兩個方向的尺寸，并且垂直兩個方向的尺寸，并且垂直 于于Z軸的橫截面是不變的。軸的橫截面是不變的。 10.5.3.3 軸對稱軸對稱 軸

14、對稱軸對稱 假定三維實體模型是由假定三維實體模型是由XY面面 內(nèi)的橫截面繞內(nèi)的橫截面繞Y軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)360o 形成的形成的( 管管,錐體錐體,圓板圓板, 圓頂蓋圓頂蓋,圓盤等圓盤等)。 4對稱軸必須和整體對稱軸必須和整體 Y 軸重合。軸重合。 4不允許有負不允許有負 X 坐標。坐標。 4Y方向是軸向，方向是軸向，X方向是徑向，方向是徑向， Z方向是方向是 周向周向 (hoop) 。 4周向位移是零；周向應(yīng)變和應(yīng)力十分明周向位移是零；周向應(yīng)變和應(yīng)力十分明 顯。顯。 4只能承受軸向載荷只能承受軸向載荷(所有載荷所有載荷)。 Hoop 10.5.3.4 諧單元諧單元 諧單元諧單元 將軸對稱結(jié)構(gòu)承受的

15、非軸對稱載荷分解將軸對稱結(jié)構(gòu)承受的非軸對稱載荷分解 成傅立葉級數(shù)。傅立葉級數(shù)的每一部分獨立進成傅立葉級數(shù)。傅立葉級數(shù)的每一部分獨立進 行求解，然后再合并到一起行求解，然后再合并到一起。 諧單元較常用于單一受扭或受彎的分析求解諧單元較常用于單一受扭或受彎的分析求解， 其中受扭和受彎對應(yīng)于傅立葉級數(shù)的第其中受扭和受彎對應(yīng)于傅立葉級數(shù)的第1和第和第2 項。這種簡化處理本身不具有任何近似性！項。這種簡化處理本身不具有任何近似性！ I J K,L,O PN M Triangular Option Y (Axial) X (Radial) 單元坐標系單元坐標系 (顯示的是顯示的是 KEYOPT(1)=0情

16、形情形) O K J M P L I y x N 10.5.3.4 諧單元諧單元(續(xù)續(xù)) 諧單元諧單元 - 舉例：舉例： 假定假定 一承受剪力，彎矩，一承受剪力，彎矩， 和和/或者扭矩的軸或者扭矩的軸。 軸上的扭矩以傅立葉級數(shù)的一項施加到軸上軸上的扭矩以傅立葉級數(shù)的一項施加到軸上。這這 時，除了扭矩外，事實上是一般的軸對稱問題時，除了扭矩外，事實上是一般的軸對稱問題。 彎矩和橫向剪力可以分別作為傅立葉級數(shù)的其它彎矩和橫向剪力可以分別作為傅立葉級數(shù)的其它 兩項施加到軸上兩項施加到軸上。 諧單元還可以用于實際當中的任意循環(huán)分布載荷諧單元還可以用于實際當中的任意循環(huán)分布載荷， 這可能需要分解成這可能

17、需要分解成50-100項傅立葉級數(shù)才能得到滿項傅立葉級數(shù)才能得到滿 意的結(jié)果。意的結(jié)果。 M V T 10.5.4 三維實體單元三維實體單元 u 用于那些由于幾何、材料用于那些由于幾何、材料 、載荷或分析結(jié)果要求考慮、載荷或分析結(jié)果要求考慮 的細節(jié)等原因造成無法采用的細節(jié)等原因造成無法采用 更簡單單元進行建模的結(jié)構(gòu)更簡單單元進行建模的結(jié)構(gòu) 四面體模型使用四面體模型使用CAD建建 模往往比使用專業(yè)的模往往比使用專業(yè)的FEA 分析建模更容易，也偶爾分析建模更容易，也偶爾 得到使用。得到使用。 K R L Q O P M N J I X Y Z Tetrahedron mesh Brick mesh

18、 10.5.5 專用單元專用單元 專用單元專用單元 包括包括接觸接觸單元單元 - 用于構(gòu)件間存在接用于構(gòu)件間存在接 觸面的結(jié)構(gòu)建模觸面的結(jié)構(gòu)建模，如渦輪盤和葉片，螺栓頭如渦輪盤和葉片，螺栓頭 部和法蘭，電觸頭，以及部和法蘭，電觸頭，以及O-圈等等。圈等等。 做好接觸分析要求有這方面的知識和經(jīng)驗做好接觸分析要求有這方面的知識和經(jīng)驗。 J I GAP M or M/2 C X Y Z FSLIDE K1 K2 M or M/2 10.5.6 線性單元線性單元/二次單元二次單元/p單元單元 一旦你決定采用平面、三維一旦你決定采用平面、三維 殼或者三維實體單元，還需要殼或者三維實體單元，還需要 進一步

19、決定采用線性、四邊形進一步?jīng)Q定采用線性、四邊形 或或p單元。單元。 線性單元和高階單線性單元和高階單 元之間明顯的差別是線性單元元之間明顯的差別是線性單元 只存在只存在 “角節(jié)點角節(jié)點”，而高階而高階 單元還存在單元還存在 “中節(jié)點中節(jié)點”。 線性單元內(nèi)線性單元內(nèi)的位移按線性變化，因此的位移按線性變化，因此(大多數(shù)時大多數(shù)時)單個單元上的單個單元上的 應(yīng)力狀態(tài)是不變的。應(yīng)力狀態(tài)是不變的。 二次單元內(nèi)二次單元內(nèi)的位移是二階變化的，因此單個單元上的應(yīng)力狀態(tài)的位移是二階變化的，因此單個單元上的應(yīng)力狀態(tài) 是線性變化的。是線性變化的。 p單元內(nèi)單元內(nèi)的位移是從的位移是從2階到階到8階變化的，而且具有求解

20、收斂自動階變化的，而且具有求解收斂自動 控制功能，自動選取各位置上分析應(yīng)當采用的階數(shù)控制功能，自動選取各位置上分析應(yīng)當采用的階數(shù)。 10.5.6 線性單元線性單元/二次單元二次單元/p單元單元(續(xù)續(xù)) ANSYS中各中各線性線性概念之間的區(qū)別：概念之間的區(qū)別： 線性分析線性分析 是指不包含任何非線性影響是指不包含任何非線性影響(如：大變形如：大變形, 塑性，或者接觸塑性，或者接觸)。 線性方程線性方程 求解器求解器 是指方程組解就是結(jié)構(gòu)的自由度是指方程組解就是結(jié)構(gòu)的自由度 解。即使是非線性分析，這些方程還是線性的解。即使是非線性分析，這些方程還是線性的 (但但 必須進行多次求解必須進行多次求解

21、)。 線性單元線性單元 假定單元內(nèi)的自由度按線性變化假定單元內(nèi)的自由度按線性變化(跟二次跟二次 單元單元, 三次單元三次單元, 或或 p單元相比單元相比)。 10.5.6 線性單元線性單元/二次單元二次單元/p單元單元(續(xù)續(xù)) 在許多情況下，同線性單元相比，采用更高階在許多情況下，同線性單元相比，采用更高階 類型的單元進行少量的計算就可以得到更好的類型的單元進行少量的計算就可以得到更好的 計算結(jié)果。下面是根據(jù)不同分析目的進行單元計算結(jié)果。下面是根據(jù)不同分析目的進行單元 選擇的情況。選擇的情況。 ObjectiveLinear elementsQuadratic elementsp-elemen

22、ts (linear structural analysis only) Highly accurate stresses, or temperatures with high gradients Finer mesh, higher #dof required for same accuracy compared to quadratic or p Almost always allow coarser mesh, lower #dof than linear Allow much coarser mesh for same accuracy- solution time may be qu

23、adratic Deflections, nominal stresses, or temperatures- mild gradients Not usually a problem unless mesh is very coarse Should allow coarser mesh, lower #dof than linear Any mesh representing the geometry will almost always be OK 10.5.6 線性單元線性單元/二次單元二次單元/p單元單元(續(xù)續(xù)) 在進行單元選擇時應(yīng)考慮的其它在進行單元選擇時應(yīng)考慮的其它 因素因素 線

24、性單元的扭曲變形可能引起線性單元的扭曲變形可能引起 精度損失。更高階單元對這種精度損失。更高階單元對這種 扭曲變形不敏感扭曲變形不敏感。 就求解的精度的差別講，線性就求解的精度的差別講，線性 單元和二次單元網(wǎng)格之間的差單元和二次單元網(wǎng)格之間的差 別遠沒有平面單元和三維實體別遠沒有平面單元和三維實體 單元網(wǎng)格之間的差別那么驚人單元網(wǎng)格之間的差別那么驚人 之大。你可能更喜歡使用線性之大。你可能更喜歡使用線性 (平平)殼單元。殼單元。 高度扭曲的二次情高度扭曲的二次情 形形(非平行對邊非平行對邊) 10.5.6 線性單元線性單元/二次單元二次單元/p單元單元(續(xù)續(xù)) 大多數(shù)二次單元允許忽略部分大多數(shù)

25、二次單元允許忽略部分 或所有邊的中節(jié)點。但是，在或所有邊的中節(jié)點。但是，在 沒有中節(jié)點的邊上，你只能得沒有中節(jié)點的邊上，你只能得 到線性結(jié)果到線性結(jié)果。 如果所有中節(jié)點均不存在，該如果所有中節(jié)點均不存在，該 單元就變成了線性單元，計算單元就變成了線性單元，計算 精度也隨之降低精度也隨之降低 (由于轉(zhuǎn)化成由于轉(zhuǎn)化成 線性單元的二次單元和塊單元線性單元的二次單元和塊單元 具有具有“不相容的位移模式不相容的位移模式”， 并引起單元彎曲并引起單元彎曲)。 10.5.6 線性單元線性單元/二次單元二次單元/p單元單元(續(xù)續(xù)) 更高階的單元模擬曲面的精度就越高更高階的單元模擬曲面的精度就越高。 低階單元低

26、階單元 更高階單元更高階單元 10.5.6 線性單元線性單元/二次單元二次單元/p單元單元(續(xù)續(xù)) 采用越來越高階的單元，給曲線結(jié)構(gòu)劃分越來越稀疏的單采用越來越高階的單元，給曲線結(jié)構(gòu)劃分越來越稀疏的單 元網(wǎng)格，元網(wǎng)格，ANSYS開始向你發(fā)出警告，甚至發(fā)出由于單元扭開始向你發(fā)出警告，甚至發(fā)出由于單元扭 曲變形超過單元允許范圍而引起網(wǎng)格劃分失敗的信息。其曲變形超過單元允許范圍而引起網(wǎng)格劃分失敗的信息。其 原因是，原因是，由于模型表面單元的彎曲程度過大，使部分中節(jié)由于模型表面單元的彎曲程度過大，使部分中節(jié) 點偏離了自身位置點偏離了自身位置， 最終決定了你能劃分單元網(wǎng)格的稀疏最終決定了你能劃分單元網(wǎng)格

27、的稀疏 程度程度。 同其它軟件一樣，同其它軟件一樣，ANSYS程序允許用更高階的直邊單元劃程序允許用更高階的直邊單元劃 分網(wǎng)格分網(wǎng)格(降低了實際幾何模型的精度降低了實際幾何模型的精度，特別是對于特別是對于p單元而單元而 言，通常極不理想言，通常極不理想)，也允許用不帶中節(jié)點的更高階單元劃也允許用不帶中節(jié)點的更高階單元劃 分單元網(wǎng)格分單元網(wǎng)格(既降低了幾何模型的精度，又降低了單元精度既降低了幾何模型的精度，又降低了單元精度 ，所以在通常情況下更不理想，所以在通常情況下更不理想)。所以，一般建議采用盡可。所以，一般建議采用盡可 能稀疏的單元網(wǎng)格，而又不至于出現(xiàn)形狀檢查警告能稀疏的單元網(wǎng)格，而又不至

28、于出現(xiàn)形狀檢查警告。 10.5.6 線性單元線性單元/二次單元二次單元/p單元單元(續(xù)續(xù)) 你不能將接觸單元同具有中節(jié)點的單元連起來你不能將接觸單元同具有中節(jié)點的單元連起來(僅僅 對于節(jié)點對于節(jié)點-節(jié)點和節(jié)點節(jié)點和節(jié)點-面接觸單元而言，對于面面接觸單元而言，對于面- 面接觸單元則是允許的面接觸單元則是允許的)。類似地，在熱分析問題類似地，在熱分析問題 中，你不能將輻射中，你不能將輻射link單元或者非線性對流表面添單元或者非線性對流表面添 加到具有中節(jié)點的單元上加到具有中節(jié)點的單元上。(ANSYS提供了多種劃提供了多種劃 分必須忽略中節(jié)點的單元網(wǎng)格的方法分必須忽略中節(jié)點的單元網(wǎng)格的方法)。 在

29、非線性材料特性區(qū)域內(nèi)，二次單元并不比線性在非線性材料特性區(qū)域內(nèi)，二次單元并不比線性 單元更有效。單元更有效。 (不建議不建議) (建議建議) 10.5.7 四邊形單元四邊形單元/三角形單元，塊單元三角形單元，塊單元 /四面體單元四面體單元 針對平面或者三維殼體分析模型而言，四邊形單元針對平面或者三維殼體分析模型而言，四邊形單元 和三角形單元是有差別的，下表列出了這些差異。和三角形單元是有差別的，下表列出了這些差異。 FactorQuadrilateralsTriangles Quality of resultsExcellent for high order quads, good for n

30、ear parallelogram linear quads, poor for non-parallelogram linear quads Excellent for high order triangles, very poor for linear triangles Mesh generation method(s)Unstructured (“free”) mesh of quads is possible for any area, but may contain a few triangles Structured mesh of quads is possible in 3

31、or 4-sided areas only Unstructured (“free”) mesh of triangles is possible for any area 10.5.7 四邊形單元四邊形單元/三角形單元，塊單三角形單元，塊單 元元/四面體單元四面體單元(續(xù)續(xù)) 全部采用三角形單元網(wǎng)格的理由是相當少的。給面進全部采用三角形單元網(wǎng)格的理由是相當少的。給面進 行單元網(wǎng)格劃分的實質(zhì)問題是，你是否允許模型中存行單元網(wǎng)格劃分的實質(zhì)問題是，你是否允許模型中存 在一些三角形單元網(wǎng)格。實際上，各處存在三角形單在一些三角形單元網(wǎng)格。實際上，各處存在三角形單 元會相當麻煩，但是應(yīng)當仔細思考下列問題

32、元會相當麻煩，但是應(yīng)當仔細思考下列問題: 如果采用更高階單元，三角形單元的計算精度接近如果采用更高階單元，三角形單元的計算精度接近 于二次單元。所以，全部采用二次單元網(wǎng)格也是沒于二次單元。所以，全部采用二次單元網(wǎng)格也是沒 有什么理由的。有什么理由的。 如果采用線性單元，三角形單元就十分糟糕，但是如果采用線性單元，三角形單元就十分糟糕，但是 ，不這樣會使四邊形單元網(wǎng)格扭曲。除了多數(shù)不重，不這樣會使四邊形單元網(wǎng)格扭曲。除了多數(shù)不重 要的結(jié)構(gòu)外，任何四邊形單元網(wǎng)格要的結(jié)構(gòu)外，任何四邊形單元網(wǎng)格(結(jié)構(gòu)的或者非結(jié)結(jié)構(gòu)的或者非結(jié) 構(gòu)的構(gòu)的)不得不包含部分形狀糟糕的三角形單元網(wǎng)格。不得不包含部分形狀糟糕的三

33、角形單元網(wǎng)格。 所以，還是沒有理由全部采用四邊形單元所以，還是沒有理由全部采用四邊形單元。 10.5.7 四邊形單元四邊形單元/三角形單元，塊單元三角形單元，塊單元 /四面體單元四面體單元(續(xù)續(xù)) 對三維實體分析模型而言，塊單元和四面體單元對三維實體分析模型而言，塊單元和四面體單元 是有差別的，下表列出了這些差異。是有差別的，下表列出了這些差異。 FactorBricks (Hexahedra)Tetrahedra Quality of results per degree of freedom Excellent for high order bricks, good for near pa

34、rallelepiped linear bricks, poor for non-parallelepiped linear bricks Very good for high order tetrahedra, very poor for linear tetrahedra Mesh generation method(s)Extruded mesh of bricks (and possibly wedges and/or tetrahedra) can be created while sweeping areas to form volumes Structured mesh of b

35、ricks is possible in brick-, wedge-, or tetrahedron-shaped volumes only Unstructured (“free”) mesh of tetrahedra is possible for any volume, but meshing can be time- consuming 10.5.7 四邊形單元四邊形單元/三角形單元，塊單元三角形單元，塊單元 /四面體單元四面體單元(續(xù)續(xù)) 建立三維實體模型需要作出下列選擇：建立三維實體模型需要作出下列選擇： 使用四面體單元劃分網(wǎng)格使用四面體單元劃分網(wǎng)格 4 采用簡便方法建立實體模

36、型采用簡便方法建立實體模型。 4 選用二次單元或者選用二次單元或者 p單元。單元。 使用塊單元劃分單元網(wǎng)格使用塊單元劃分單元網(wǎng)格 4選用塊單元網(wǎng)格建立實體模型選用塊單元網(wǎng)格建立實體模型。 通常需要花費更多時間和精力。通常需要花費更多時間和精力。 劃分子區(qū)域劃分子區(qū)域 連接處理連接處理 延伸延伸 4 采用任何塊單元。采用任何塊單元。 10.5.7 四邊形單元四邊形單元/三角形單元，塊單元三角形單元，塊單元 /四面體單元四面體單元(續(xù)續(xù)) 為什么使用四面體單元劃分單元為什么使用四面體單元劃分單元 網(wǎng)格會有這么大的困難呢？網(wǎng)格會有這么大的困難呢？ 過去，有限元模型全部采用線性四面過去，有限元模型全部

37、采用線性四面 體單元網(wǎng)格體單元網(wǎng)格(我們已經(jīng)講過這種模型我們已經(jīng)講過這種模型 十分十分“粗糙粗糙”)。現(xiàn)在，使用二次單現(xiàn)在，使用二次單 元和元和p單元的有限元模型變得相當理單元的有限元模型變得相當理 想了。想了。 四面體單元模型的自由度幾乎是同等四面體單元模型的自由度幾乎是同等 精度的塊單元單元模型的精度的塊單元單元模型的3到到10倍。倍。 迄今求解器技術(shù)取得了很大突破，大迄今求解器技術(shù)取得了很大突破，大 多數(shù)分析者還是沒有高性能的計算機多數(shù)分析者還是沒有高性能的計算機 來求解無關(guān)緊要的四面體單元模型來求解無關(guān)緊要的四面體單元模型 塊單元網(wǎng)格塊單元網(wǎng)格: 125 個單元，個單元，216 個節(jié)點

38、個節(jié)點 四面體單元網(wǎng)格四面體單元網(wǎng)格: 679 個單元，個單元，1230 個節(jié)點個節(jié)點 10.5.7 四邊形單元四邊形單元/三角形單元，塊單三角形單元，塊單 元元/四面體單元四面體單元(續(xù)續(xù)) 還有其它一些因素幫你作出選擇：還有其它一些因素幫你作出選擇： 做接觸分析，使用四面體單元做接觸分析，使用四面體單元 劃分網(wǎng)格時還需要進行一些處劃分網(wǎng)格時還需要進行一些處 理，消除接觸面上的中節(jié)點理，消除接觸面上的中節(jié)點 (只只 針對節(jié)點針對節(jié)點-節(jié)點接觸單元和節(jié)點節(jié)點接觸單元和節(jié)點 -面接觸單元面接觸單元，而面而面-面接觸單面接觸單 元則不需要元則不需要)。 長或薄結(jié)構(gòu)劃分成塊單元網(wǎng)格長或薄結(jié)構(gòu)劃分成塊

39、單元網(wǎng)格 可能更理想?？赡芨硐?。 potential contact region 10.6 定義單元類型定義單元類型 1. 選擇選擇Add 10.6 定義單元類型定義單元類型(續(xù)續(xù)) 3.選擇單元類型選擇單元類型 2.選擇單元分類選擇單元分類 4.選擇選擇OK 10.6 定義單元類型定義單元類型(續(xù)續(xù)) 5. 如果必要，選擇如果必要，選擇Options 修改單元選項。修改單元選項。 7.選擇選擇Close結(jié)束結(jié)束 單元類型定義單元類型定義 6.選擇選擇Help得到更多得到更多 單元選項的幫助單元選項的幫助 10.6 定義單元類型定義單元類型(續(xù)續(xù)) 使用圖示摘要可使用圖示摘要可 以幫助選擇

40、單元以幫助選擇單元 類型。如果需要類型。如果需要 某種單元的詳細某種單元的詳細 描述，點取單元描述，點取單元 圖形即可，當選圖形即可，當選 定了單元類型后，定了單元類型后， 記住名稱和代號，記住名稱和代號， 選擇選擇 choose File Exit退出退出 10.6 定義單元類型定義單元類型(續(xù)續(xù)) v注意注意: 設(shè)置想要分析學科的選項設(shè)置想要分析學科的選項 (Main Menu Preferences)，這樣將只顯示所選學科的單元類，這樣將只顯示所選學科的單元類 型型 。 應(yīng)當在前處理階段盡早地定義單元類型，因為應(yīng)當在前處理階段盡早地定義單元類型，因為 GUI方式中菜單的過濾依賴于當前自由

41、度的設(shè)置。方式中菜單的過濾依賴于當前自由度的設(shè)置。 例如，如果選擇結(jié)構(gòu)單元類型，則熱載荷選項成例如，如果選擇結(jié)構(gòu)單元類型，則熱載荷選項成 灰色，或根本不出現(xiàn)。灰色，或根本不出現(xiàn)。 10.7 單元特性的賦予方法單元特性的賦予方法 v在創(chuàng)建有限元模型的過程中，單元特性的賦予在創(chuàng)建有限元模型的過程中，單元特性的賦予 一般有三種方法：一般有三種方法： 在劃分單元網(wǎng)格前將單元特性賦予實體模型在劃分單元網(wǎng)格前將單元特性賦予實體模型 在劃分單元網(wǎng)格前設(shè)置在劃分單元網(wǎng)格前設(shè)置“global”的的MAT、 TYPE和和REAL 在劃分單元網(wǎng)格后對單元特性進行修改在劃分單元網(wǎng)格后對單元特性進行修改 如果沒有賦予單

42、元特性，如果沒有賦予單元特性，ANSYS則自動將所有則自動將所有 單元賦予缺省值：單元賦予缺省值：MAT=1、TYPE=1、和、和 REAL=1。 10.8 對實體模型賦予單元特性對實體模型賦予單元特性 1.定義必要的單元特性、材料特性和實常數(shù)。定義必要的單元特性、材料特性和實常數(shù)。 2.Main Menu: Preprocessor MeshTool 3.選擇選擇Set 4.選擇希望的圖元類型選擇希望的圖元類型 5.拾取希望的圖元拾取希望的圖元(如如areas) 10.8 對實體模型賦予單元特性對實體模型賦予單元特性(續(xù)續(xù)) 8.重復(fù)重復(fù)3-7步對其它步對其它AREA賦予單元特性賦予單元特性

43、 說明：當賦予單元屬性的圖元劃分單元說明：當賦予單元屬性的圖元劃分單元 后，單元屬性將直接轉(zhuǎn)化到單元上后，單元屬性將直接轉(zhuǎn)化到單元上 6.設(shè)置相應(yīng)特性設(shè)置相應(yīng)特性 7.拾取拾取OK 10.9 激活全局單元屬性設(shè)置激活全局單元屬性設(shè)置 1.定義必要的單元特性、材料特性和實常數(shù)。定義必要的單元特性、材料特性和實常數(shù)。 2.Main Menu: Preprocessor MeshTool 3. 選擇選擇Global 4. 選擇選擇Set 10.9 激活全局單元屬性設(shè)置激活全局單元屬性設(shè)置(續(xù)續(xù)) 7. 僅對具有上述單元屬性設(shè)置的圖元進行網(wǎng)格劃分僅對具有上述單元屬性設(shè)置的圖元進行網(wǎng)格劃分 8.重復(fù)重復(fù)

44、3-7 步對模型中全部圖元劃分單元步對模型中全部圖元劃分單元 5. 在劃分單元在劃分單元 前給圖元激活前給圖元激活 特定單元屬性特定單元屬性 6. 拾取拾取OK 10.10 修改單元屬性修改單元屬性 3.為要修改的單元激活為要修改的單元激活 適當?shù)膯卧獙傩赃m當?shù)膯卧獙傩?1.定義必要的單元特性、材料特性和實常數(shù)定義必要的單元特性、材料特性和實常數(shù) 2 4.拾取拾取OK 10.10 修改單元屬性修改單元屬性(續(xù)續(xù)) 9.重復(fù)重復(fù)2-8步對模型中全部圖元劃分單元屬性步對模型中全部圖元劃分單元屬性 5 7.選擇選擇All to current 8.拾取拾取OK 6.拾取要修改的單元拾取要修改的單元 10.11 提醒注意提醒注意 v給實體模型圖元賦予新單給實體模型圖元賦予新單 元屬性將覆蓋其原有屬性元屬性將覆蓋其原有屬