ANSYS建模中單元類型的選擇及實例應(yīng)用

1、科學技術(shù) 2010.8 83ANSYS 建模中單元類型的選擇及實例應(yīng)用田 水鐵嶺技師學院 遼寧 鐵嶺 112000【摘 要】本文對大型通用有限元軟件ANSYS 的單元類型進行了分析,并以有限元模型為例進行了分析,將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)作對比?！娟P(guān)鍵詞】ANSYS 單元 實例1、引言目前,設(shè)計工作大多數(shù)是依靠設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,而設(shè)計結(jié)果并非是最優(yōu)化的,也沒有一種方法去判斷其優(yōu)化的程度,例如,為了滿足強度要求,沒有特別注意其結(jié)構(gòu)質(zhì)量及尺寸等,從而影響整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分配。有限元分析是計算機誕生以后,在數(shù)學、力學和工程科學領(lǐng)域最有效的計算方法1。而目前最流行的有限元分析軟件ANSYS,當你

2、開始建模時用戶將做多決定以確定如何來對物理系統(tǒng)進行數(shù)值模擬,分析目標是什么;模型是全部或僅是物理系統(tǒng)的部分;模型將包含多少細節(jié);選擇什么樣的單位;有限元網(wǎng)格用多大的密度,總之,你將對要回答問題的計算費用及結(jié)果進行平衡考慮,你在規(guī)劃階段作出的這些決定將大體上控制你分析的成功與否。2、單元的分類2.1按形狀分類1點單元:幾何形狀為點型的結(jié)構(gòu),可用MASS 單元模擬,MASS 單元主要用于動力學分析質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的模擬;2線單元:幾何形狀為線型結(jié)構(gòu),可用LINK、BEAM 模擬,LINK 單元用于桁架、螺栓、螺桿等連接件的模擬;BEAM 單元主要用于梁、螺栓、螺桿、連接件等的模擬;3面單元:PLANE、

3、SHELL;4體單元:SOLID。2.2按單元階次分類1線性單元:對于結(jié)構(gòu)分析問題,單元內(nèi)的位移數(shù)值按線性變化,因而每個單元的盈利狀態(tài)是保持不變的;2二次單元:對于結(jié)構(gòu)分析問題,單元內(nèi)的位移數(shù)值按二次函數(shù)變化,因此沒個單元內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)是線性變化的;3P 單元:對于結(jié)構(gòu)分析問題,單元內(nèi)的位移數(shù)值按二階到八階函數(shù)變化,而且具有求解收斂自動控制功能,自動確定各位置上應(yīng)采用的函數(shù)階數(shù)2。3 單元介紹 1MASS 單元:主要用于幾何形狀為點型且動力學分析質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的模擬;2LINK 單元:用于桁架、螺栓、螺桿等連接件的模擬;3BEAM 單元:用于梁、螺栓、螺桿、連接件等的模擬;4PIPE 單元:用于管道

4、、管件等結(jié)構(gòu)的模擬;5COMBIN 單元:用于彈簧,細長構(gòu)件等的模擬;6SHELL 單元:主要用于薄板或曲面結(jié)構(gòu)的模擬,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10倍;7PLANE 單元:用于總體之間坐標系下X-Y 平面內(nèi)結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、軸對稱和諧結(jié)構(gòu)問題;8SOLID 單元:主要用于三維是實體結(jié)構(gòu)的模擬。下圖為幾種典型的應(yīng)用場合。圖1.LINK單元應(yīng)用圖2.BEAM單元應(yīng)用圖3.SHELL單元應(yīng)用圖4.SOLID 單元應(yīng)用4、單元類型通用選擇方法1設(shè)定無力場過濾菜單,將單元全集縮小到該物理場涉及的單元;2根據(jù)模型的幾何形狀選定單元的大類,如線性結(jié)構(gòu)則只能選擇LINK、

5、BEAM 等單元去模擬;3根據(jù)模型的空間維數(shù)細化單元的類型,如確定為“BEAM”單元大類后,在對話框的右欄中,有“2D”和“3D”的單元分類,則格局結(jié)構(gòu)的維數(shù)繼續(xù)縮小單元類型選擇的范圍;4確定單元的大類后,有時也可以根據(jù)單元階次來細分單元的小類,如確定維“Solid-Quad”此時有四種單元類型:Quad 4node 42、 Quad 4node 183、Quad 8node 82、Quad 8node 183,前兩組即為低階單元,后兩組則為高階單元;5根據(jù)單元的形狀細分單元的小類,如對三維實體,此時則可以根據(jù)單元形狀是“六面體”還是“四面體”,確定單元類型是“Brick”“Tet”;6根據(jù)分

6、析問題的性質(zhì)選擇單元類型,如確定為2D 的Beam 單元后,此時有三種單元類型可以選擇:2D elastic 3、2D plastic 23 、2D tapered 54,根據(jù)分析問題是彈性還是塑性確定是“Beam3”還是“Beam4”,若是變截面的非對稱的問題則用“Beam54”;7單元階次直接影響單元形函數(shù)的階次,一般說來。形函數(shù)階次越高,計算結(jié)果越精確,因而同線性單元相比,采用高階的單元類型可以得到相對較好的計算結(jié)果。8單元階次的選擇使用需要在計算精度和計算規(guī)模間衡量:9線性單元的嚴重扭曲變形可能引起計算精度的下降,而更高階的單元對這種扭曲變形不敏感,此時可考慮使用高階單元;10對于模型

7、中,有曲邊或曲面存在時,通常推薦使用高階單元,以獲得較高的曲面精度;11單元階次對求解的精度影響,相對平面單元和三維實體單元之間簡化的差別來說,影響要小的多,因而使用線性單元的場合比較多。5、結(jié)束語ANSYS 的單元庫提供了100多種單元類型,針對ANSYS 軟件特點,本文結(jié)合具體實例,將單元的選擇范圍縮小到少數(shù)幾個單元上,并對兩種單元類型的選擇進行了探索,提出了各自的優(yōu)缺點。在實際工程應(yīng)用中可根據(jù)具體問題具體分析,使用最為適合的方法進行選擇。參考文獻 1 劉淘、楊鳳鵬. 精通ANSYS,北京:清華大學出版社,2003:1124。2 劉國慶 楊慶東, ANSYS 工程應(yīng)用教程(機械篇,北京:中

8、國鐵道出版社;2004.03:34363 尚曉江 邱峰 ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用(第二版 ,北京:中國水利水電出版社;2008 .05 ANSYS建模中單元類型的選擇及實例應(yīng)用作者:田水作者單位:鐵嶺技師學院,遼寧,鐵嶺,112000刊名:中國科技縱橫英文刊名:CHINA SCIENCE & TECHNOLOGY PANORAMA MAGAZINE年,卷(期:2010,""(15被引用次數(shù):0次參考文獻(3條相似文獻(10條在實際中經(jīng)常會遇到三維連續(xù)體和薄壁板殼組成的結(jié)構(gòu),對其進行有限元分析的合理方案是將其分別離散為三維實體單元與板殼單元進行計算

9、.即使這兩種單元在交接處有共用節(jié)點,但由于節(jié)點自由度的不同而存在轉(zhuǎn)動自由度不連續(xù)的問題,導致計算結(jié)果與實際偏差很大.ANsYs中約束方程法與MPC法都能夠?qū)崿F(xiàn)三維實體單元與板殼單元正確聯(lián)結(jié),文中分別說明了其原理與步驟,并結(jié)合算例的計算結(jié)果對兩種方法進行了綜合比較,得出了在三維實體單元與板殼單元的組合建模中MPC法可取代約束方程法的結(jié)論.結(jié)合軸對稱問題的特點和實質(zhì),通過對一個軸對稱實例的求解與分析,對比得出采用二維平面單元求解軸對稱問題比采用三維實體單元具有更好的精度,且可以顯著節(jié)省建模及求解計算時間.以開V型坡口鋼板為例,利用ANSYS軟件對其焊接過程進行有限元模擬,建立了合理的三維實體模型,

10、使用單元"生死"技術(shù)模擬焊接焊縫的依次生成.獲得了焊接溫度場及殘余應(yīng)力場的分布規(guī)律,并對結(jié)果進行了分析和討論,得出計算結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合,說明ANSYS的單元生死技術(shù)能有效地模擬焊接過程,本方法對各種關(guān)鍵問題的處理比較得當.4.學位論文李妍基于ANSYS軟件的接觸問題分析及在工程中的應(yīng)用2004近年來,隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用,帶動了其他各個技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展。有限單元法也是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它利用電子計算機進行數(shù)值模擬分析,目前在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,有限元計算結(jié)果為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析提供了可靠依據(jù)。ANSYS軟件正

11、是目前國際上著名的通用有限元軟件之一。ANSYS用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學、教學科研等眾多領(lǐng)域。ANSYS是這些領(lǐng)域進行國際國內(nèi)分析設(shè)計技術(shù)交流的主要分析平臺。從工程應(yīng)用的角度來講,它包括結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力分析、屈曲分析、非線性分析、以及熱分析等,而ANSYS軟件中的接觸單元分析正是一種高度的非線性分析。接觸問題由于是一種高度的非線性行為,故需要較大的計算資源。為了進行實為有效的計算,理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。在普通的有限元結(jié)構(gòu)分析中,只有對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件完全約束后,才能進行求解運算。因此,對于含有接觸問題的幾個結(jié)構(gòu)體進行分析

12、計算時,就需要對計算的結(jié)構(gòu)件之間的接觸表面進行簡化,只能用邊界力和約束來代替與其它構(gòu)件的相互作用。在大多數(shù)的場合下,這種簡化與實際應(yīng)用情況相差很大,會帶來很大的計算誤差。為了消除這種計算誤差,出現(xiàn)了有限元接觸分析方法。有限元接觸分析就是把有限元和接觸力學理論相結(jié)合而形成的方法。而ANSYS中的接觸單元分析方法就是一種有限元接觸分析方法。在本文中,首先簡要的闡述了本研究課題所涉及的范圍,接觸單元分析的理論基礎(chǔ)及與有限單元法的關(guān)系,ANSYS中接觸單元分析特點及進行接觸分析時所遇到的幾個常見問題。第二章以彈性力學理論為基礎(chǔ),詳細地介紹了接觸單元理論,導出了兩個球體之間的接觸壓力及由此引起的應(yīng)力和變

13、形,給出了球體與平面相接觸、球體與球座相接觸的計算方法,同時,對于兩任意彈性體接觸的討論,得到了接觸面上壓力分布的公式。第三章主要介紹了ANSYS中的接觸單元用法,講了有限元的基本知識和典型分析步驟;對ANSYS軟件進行了簡單的介紹;重點闡述了在ANSYS中如何應(yīng)用接觸單元來分析問題,接觸問題分為兩種基本類型:剛體柔體的接觸,柔體柔體的接觸,在給接觸問題建模時,首先必須認識到模型中的哪些部分可能會相互接觸,如果相互作用的其中之一是一點,模型的對應(yīng)組元是一個結(jié)點。如果相互作用的其中之一是一個面,模型的對應(yīng)組元是單元,有限元模型通過指定的接觸單元來識別可能的接觸對,接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之

14、上的一層單元,ANSYS使用的接觸單元有點點接觸單元、點面接觸單元、面面接觸單元,本文對這三種接觸單元的分析方法和分析步驟都做了介紹。第四章詳細討論了接觸問題分析在工程中的應(yīng)用,給出了彈簧卡子在插入和拉出卡座全過程中應(yīng)力的變化情況;對雙耳鉸支座進行了三種情況采用不同的單元類型、軸采用不同直徑、軸有公差和無公差的討論,給出了接觸面上的應(yīng)力值;對半瓦鉸支座計算了兩種不同工況受扭和受壓時的接觸面應(yīng)力;起重機車輪與平面軌道接觸應(yīng)力,并給出了鉸支座與輪壓問題的理論設(shè)計公式,以便作為檢驗用ANSYS所得分析結(jié)果的一個參考。第五章根據(jù)以上所計算的工程實例,對接觸單元用法作了總結(jié),如下:1、在對彈簧卡子進行有

15、限元接觸分析時,把三維問題當作二維問題來處理,計算模型作為平面應(yīng)力計算,這雖與實際上的三維模型不同但符合其實際的受力特點。在本例中又考慮了摩擦的影響,摩擦本身就使非線性分析的收斂變得困難,所以用這樣的處理方法是合理的且滿足精度要求。2、建立復雜的三維幾何模型時,由于ANSYS軟件不是一個專門的建模軟件,建議對各部分零件采用專門的建模軟件(Solidworks2001建模,然后,利用兩種軟件的共同接口將各部分模型導入ANSYS,再將模型文件合并即可。3、幾何模型的產(chǎn)生、單元類型的選擇、網(wǎng)格的疏密等對計算結(jié)果都是有影響的,本文比較計算了雙耳鉸支座采用不同的單元類型(Solid45、Solid95計

16、算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在接觸問題分析中,用Solid95這種單元類型所計算的結(jié)果不理想,故不建議采用Solid95這種單元類型,因為此種單元類型帶有中結(jié)點,而在中結(jié)點處無法生成接觸單元。4、接觸區(qū)域的確定、接觸面的選擇對計算結(jié)果的影響非常重要,因為在計算之前,并不知道那些面是接觸的、那些面是分開的;另外,在對兩個面作接觸時,應(yīng)盡量保持其大小一致,如較大面與較小面接觸,也會產(chǎn)生計算結(jié)果誤差。5、在對軸有公差和無公差的計算中發(fā)現(xiàn),法向接觸剛度對計算結(jié)果也會產(chǎn)生影響。因此,需要不斷地調(diào)整法向接觸剛度,使計算結(jié)果更趨于合理,避免法向接觸剛度過大或過小。6、本文計算了兩種不同的鉸支座在不同工況下的接觸應(yīng)力情況,所

17、得計算結(jié)果與理論設(shè)計值接近,其誤差在10%左右,這是因為在ANSYS中計算的結(jié)果,由于有幾何模型的產(chǎn)生、單元類型的選擇、網(wǎng)格疏密程度等因素的影響,其計算結(jié)果必然存在著一定的誤差,這種誤差在工程中是允許的,故而本文所得計算結(jié)果對工程實際具有一定的參考價值。7、在對車輪輪壓的計算中發(fā)現(xiàn),車輪受壓后橫截面由圓形變?yōu)闄E圓形,車輪下表面邊緣在變形后不進入到平面軌道中,計算結(jié)果符合起重機設(shè)計手冊中許用接觸應(yīng)力表。 接觸問題分析是一種高度的非線性分析,在理論上,對于二維接觸應(yīng)力分析一般計算結(jié)果較理想,而三維接觸問題從理論上只是二維的擴展,對于復雜的工程實際問題一般很難達到理想結(jié)果。但在本論文中,用ANSYS

18、接觸單元分析方法解決了工程中的鉸支座、輪壓等受力問題,符合其實際的受力特點,而且結(jié)果比較理想,在工程上具有一定的實用價值。 接觸問題屬于待定邊界問題,大量地存在于機械工程、土木工程中。由于有限元接觸分析計算模型能夠較好地符合工程實際情況,所以,這種方法越來越引起人們的關(guān)注。但在目前的設(shè)計中大多將模型進行了很大的簡化,存在著較大的誤差,而且與本課題相近的學術(shù)成果理論還不成熟,本論文應(yīng)用ANSYS軟件對工程中存在的接觸問題作了比較深入細致的分析,為其提供了一定的科學依據(jù),這種分析方法必將得到廣泛的應(yīng)用!利用面荷載的大小和作用方向2個表征量表示作用于模型外表面的力,利用ANSYS的SFGRAD命令定

19、義面荷載大小隨位置線性變化的荷載情況,基于ANSYS的參數(shù)數(shù)組和嵌入函數(shù)定義面荷載大小隨位置非線性變化的荷載情況,以覆蓋于所要施加荷載表面的表面效應(yīng)單元作為"管道",施加所需任意方向的面荷載.為研究ANSYS的幾何非線性性能,將桿的有限變形理論與ANSYS的樣板單元Link8單元的幾何非線性理論進行對比.采用能反映桿的幾何非線性的躍變結(jié)構(gòu)算例,對有限變形理論的桿單元與Link8單元的計算結(jié)果進行比較,結(jié)果表明:ANSYS的大變形計算只是一種近似的幾何非線性計算,其平衡方程式是不精確的,其計算結(jié)果也是不精確的.本文根據(jù)超聲波電機驅(qū)動電路的特點,擬用MCM技術(shù)對部分電路進行集成

20、設(shè)計,應(yīng)用ANSYS對該驅(qū)動集成單元在不同對流情況下進行熱仿真,模擬得到集成單元中的溫度分布及散熱狀況,分析結(jié)果表明在空氣強制對流情況下比空氣自然對流時電機驅(qū)動控制裝置內(nèi)的芯片最高結(jié)溫要低,散熱狀況較好,從而為電機驅(qū)動控制電路的集成設(shè)計提供理論依據(jù).以開V型坡口鋼板為例,利用ANSYS軟件對其焊接過程進行了有限元模擬,建立了合理的三維實體模型,使用單元"生死"技術(shù)模擬焊接焊縫的依次生成,獲得了焊接溫度場及殘余應(yīng)力場的分布規(guī)律,并對結(jié)果進行了分析和討論.得出計算結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合,說明了ANSYS的單元生死技術(shù)能有效地模擬焊接過程,本方法對各種關(guān)鍵問題的處理比較得當.9.

21、學位論文蘇亞基于ANSYS的結(jié)構(gòu)有限元分析2007本文通過有限元方法,對某科學與技術(shù)衛(wèi)星的對地和大氣監(jiān)測雙頻輻射計(DREAM上的DAP箱體進行了有限元建模和模態(tài)分析。在已有的CAD圖紙的基礎(chǔ)上,采用ANSYS軟件中的薄殼單元模擬箱體,梁單元模擬加強筋,對筋板、連接條件和約束條件均進行了合理簡化,從而建立了DAP箱體有限元模型,并對箱體進行了有限元模態(tài)分析,得到了箱體的各階固有頻率和振型情況。DAP箱體的一階固有頻率為500.45Hzo結(jié)果有效地驗證了輻射計結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性(設(shè)計要求:固有頻率>100HZ,為進一步的實驗提供了參考依據(jù),并論證了該箱體仍存在較大的優(yōu)化空間。此外,本文對碳纖維鋁蜂窩夾芯復合材料結(jié)構(gòu)的物性參數(shù)進行了討論和計算,并在此基礎(chǔ)上對復合材料拋物面天線的熱應(yīng)力進行了試算。具體工況為,對復合材料天線圓柱內(nèi)壁的部分面施加線性變化的溫度載荷(其變化范圍為:-110140.5,用間接法計算了此工況下天線的熱應(yīng)力,得出天線的應(yīng)力為:37.3Mpa,此時天線結(jié)構(gòu)的最大變形量為:0.104mm。本文的工作,為后續(xù)的更為復雜工況下的復合材料結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力計算打下了基礎(chǔ)。10.學位論文朱虹基于ANSYS二次開發(fā)的輸液曲管的