3第四講 單元生死

第四講單元生死1何為單元的生和死？如果模型中加入（或刪除）材料，模型中相應(yīng)的單元就“存在”（或消亡）。單元生死選項(xiàng)就用于在這種情況下殺死或重新激活選擇的單元。主要用于：A、鉆孔（如開礦和挖通道等）B、建筑物施工過程（如橋的建筑過程）C、順序組裝（如分層的計(jì)算機(jī)芯片組裝）D、一些用戶可以根據(jù)單元位置來方便的激活和不激活它們2具有生死功能的單元3單元生死的確定單元的生死狀態(tài)可以根據(jù)ANSYS的計(jì)算數(shù)值決定，如溫度，應(yīng)力，應(yīng)變等?？梢杂肊TABLE命令(MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable)和ESEL命令(UtilityMenu>Select>Entities)來確定選擇的單元的相關(guān)數(shù)據(jù).對(duì)于由相變引起的模型效應(yīng)（如焊接過程中原不生效的熔融材料變?yōu)樯У哪Ｐ腕w的一部分），失效擴(kuò)展和另外一些分析過程中的單元變化是有效的。4單元生死是如何工作的？要激活“單元死”的效果，ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度（或傳導(dǎo)，或其他分析特性）矩陣乘以一個(gè)很小的因子[ESTIF],因子缺省值為1.0E-6。死單元的單元載荷將為0，從而不對(duì)載荷向量生效（但仍然在單元載荷的列表中出現(xiàn)）死單元的質(zhì)量，阻尼，比熱和其他類似效果也設(shè)為0值。單元的應(yīng)變?cè)凇皻⑺馈钡耐瑫r(shí)也將設(shè)為0。5單元生死如何工作？如果單元“出生”，并不是將其加到模型中，而是重新激活它們。用戶必須在PREP7中生成所有單元，包括后面要被激活的單元。在求解器中不能生成新的單元。要“加入”一個(gè)單元，先殺死它，然后在合適的載荷步中重新激活它。當(dāng)一個(gè)單元被重新激活時(shí)，其剛度，質(zhì)量，單元載荷等將恢復(fù)其原始的數(shù)值。重新激活的單元沒有應(yīng)變記錄（也無熱量存儲(chǔ)等）。6如何使用單元生死特性可以在大多數(shù)靜態(tài)和非線性瞬態(tài)分析中使用單元生死，其基本過程與相應(yīng)的分析過程是一致的。建模施加載荷并求解查看結(jié)果7建模建模：在PREP7中，生成所有單元，包括那些只有在以后載荷步中才激活的單元。在PREP7外不能生成新的單元。8施加載荷并求解定義第一個(gè)載荷步：對(duì)于所有單元生死應(yīng)用，在第一個(gè)載荷步中應(yīng)設(shè)置全牛頓－拉夫森選項(xiàng)（能得到較好結(jié)果），因?yàn)槌绦虿荒茴A(yù)知EKILL命令出現(xiàn)在后面的載荷步中。用下列命令完成該操作：Command:NROPTGUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions9施加載荷并求解殺死[EKILL]所有要加入到后續(xù)載荷步中的單元，用下列命令：Command:EKILLGUI:MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Other>KillElements單元在載荷步的第一個(gè)子步被殺死（或激活），然后在整個(gè)載荷步中保持該狀態(tài)。要注意保證使用缺省的矩陣縮減因子不會(huì)引起一些問題。有些情況下要考慮用嚴(yán)格的縮減因子。用下列方法指定縮減因子數(shù)值：Command:ESTIFGUI:MainMenu>Solution>Other>StiffnessMult10施加載荷并求解不與任何激活的單元相連的結(jié)點(diǎn)將“漂移”，或具有浮動(dòng)的自由度數(shù)值。在一些情況下，用戶可能想約束不被激活的自由度[D,CP等]以減少要求解的方程的數(shù)目，并防止出現(xiàn)位置錯(cuò)誤。約束非激活自由度，在重新激活的單元要有特定的載荷（或溫度等）時(shí)很有影響，因?yàn)樵谥匦录せ顔卧獣r(shí)要?jiǎng)h除這些人為的約束。用戶必須在重新激活在自由度上施加新的結(jié)點(diǎn)載荷。11第一個(gè)載荷步中命令輸入示例：TIME,...!設(shè)定時(shí)間值（靜力分析選項(xiàng)）NLGEOM,ON!打開大位移效果NROPT,FULL!設(shè)定牛頓－拉夫森選項(xiàng)ESTIF,...!設(shè)定非缺省縮減因子（可選）ESEL,...!選擇在本載荷步中將不激活的單元EKILL,...!不激活選擇的單元ESEL,S,LIVE!選擇所有活動(dòng)單元NSLE,S!選擇所有活動(dòng)結(jié)點(diǎn)NSEL,INVE!選擇所有非活動(dòng)結(jié)點(diǎn)（不與活動(dòng)單元相連的結(jié)點(diǎn)）D,ALL,ALL,0!約束所有不活動(dòng)的結(jié)點(diǎn)自由度（可選）NSEL,ALL!選擇所有結(jié)點(diǎn)ESEL,ALL!選擇所有單元D,...!施加合適的約束F,...!施加合適的活動(dòng)結(jié)點(diǎn)自由度載荷SF,...!施加合適的單元載荷BF,...!施加合適的體載荷SAVESOLVE12后繼載荷步在后繼載荷步中，用戶可以隨意殺死或重新激活單元。象上面提到的，要正確的施加和刪除約束和結(jié)點(diǎn)載荷。用下列命令重新激活單元：Command:EALIVEGUI:MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Other>ActivateElem13!第二個(gè)（或后繼）載荷步：TIME,...ESEL,...EKILL,...!殺死選擇的單元ESEL,...EALIVE,...!重新激活選擇的單元...FDELE,...!刪除不活動(dòng)自由度的結(jié)點(diǎn)載荷D,...!約束不活動(dòng)自由度...F,...!在活動(dòng)自由度上施加合適的結(jié)點(diǎn)載荷DDELE,...!刪除重新激活的自由度上的約束SAVESOLVE14查看結(jié)果必須清楚的是，“殺死”的單元仍在模型中，盡管對(duì)剛度（傳導(dǎo)）矩陣的貢獻(xiàn)可以忽略。它們將包括在單元顯示，輸出列表等操作中。例如，不激活的單元在結(jié)點(diǎn)結(jié)果平均（PLNSOL命令或MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu）時(shí)將“污染”結(jié)果。建議在單元顯示和其他后處理操作前用選擇功能將不激活的單元選出選擇集。15使用ANSYS結(jié)果控制單元生死在許多時(shí)候，用戶并不清楚的知道殺死和重新激活單元的確切位置。

例如，用戶要在熱分析中“殺死”熔融的單元（在模型中移去溶化的材料），事先不會(huì)知道這些單元的位置；用戶必須根據(jù)ANSYS計(jì)算出的溫度確定這些單元。當(dāng)決定殺死或重新激活單元依靠ANSYS計(jì)算結(jié)果時(shí)，用戶可以使用命令識(shí)別決定單元的生死。16殺死總應(yīng)變超過許用值的單元：/SOLU!進(jìn)入求解器......!標(biāo)準(zhǔn)的求解過程SOLVEFINISH!/POST1!進(jìn)入POST1SET,...ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV!將總應(yīng)變存入ETABLEESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20!選擇所有總應(yīng)變大于或等于0.20的單元FINISH!/SOLU!重新進(jìn)入求解器ANTYPE,,RESTEKILL,ALL!殺死選擇（超過允許值）的單元ESEL,ALL!讀入所有單元......!繼續(xù)求解17進(jìn)一步的說明不活動(dòng)的自由度上不能施加約束方程[CE,CEINTF等]。在非線性分析中，注意不要因?yàn)闅⑺阑蛑匦录せ顔卧鹌娈愋裕ㄈ缃Y(jié)構(gòu)分析中的尖角）或剛度突變。這將使得收斂困難。在有單元生死的分析中打開FULL牛頓－拉夫森方法的適應(yīng)下降選項(xiàng)將得到好的結(jié)果。用下列方法：Command:NROPT,FULL,,ONGUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions可以通過一個(gè)參數(shù)值來指示單元生死狀態(tài),可用于APDL邏輯分支(*IF等）或其他控制單元生死的應(yīng)用場(chǎng)合。*GET,Par,ELEM,n,ATTR,LIVE](UtilityMenu>Parameters>GetScalarData)18進(jìn)一步說明在單元生死中不能用多載荷步求解[LSWRITE]，因?yàn)椴患せ罨蛑匦录せ畹膯卧獱顟B(tài)將不寫入載荷步文件中。有多個(gè)載荷步的生死單元分析應(yīng)該用一系列的SOLVE命令（MainMenu>Solution>CurrentLS）來做。19單元生死實(shí)例—隧道開挖仿真模擬問題的描述：中心圓圈代表隧道模型，考慮圣維南原理，取周圍巖土的尺寸為隧道的5~6倍，隧道深度50m，10天挖完，挖去巖土同時(shí)增加支護(hù)，不考慮土體的非線性。54.548.1512253020材料性能支護(hù)，彈性模量E=3e10,泊松比v=0.2，密度=2700土體，彈性模量E=2.5e8,泊松比v=0.32，密度=2200幾何常數(shù)：支護(hù)厚度0.4m外部載荷：只考慮自重作用單元選取：Mesh200單元—輔助網(wǎng)格劃分，shell63單元用于模擬支護(hù)，Solid45單元用于模擬圍巖結(jié)構(gòu)。21定義相關(guān)位置參數(shù)fini/cle*set,x1,-12!幾何面2的位置參數(shù)*set,y1,-12*set,w1,28.9*set,h1,30.15*set,x2,-25 !幾何面3的位置參數(shù)*set,y2,-12*set,w2,13*set,h2,30.15*set,x3,16.9!幾何面4的位置參數(shù)*set,y3,-12*set,w3,13*set,h3,30.15*set,x4,-25!幾何面5的位置參數(shù)*set,y4,-30*set,w4,54.9*set,h4,18*set,th,0.4!支護(hù)殼的厚度*set,length_z,50!隧道深度22定義單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性/prep7et,1,mesh200,2!3-d線單元2節(jié)點(diǎn)et,2,mesh200,6!3-d面單元4節(jié)點(diǎn)et,3,shell63et,4,solid45r,1,th!殼的厚度mp,ex,1,3.0e10!支護(hù)材料屬性，c30mp,prxy,1,0.2mp,dens,1,2700mp,ex,2,2.5e8!剩余土體的材料屬性mp,prxy,2,0.32mp,dens,2,2200mp,ex,3,2.5e8!挖去土體的材料屬性mp,prxy,3,0.32mp,dens,3,2200.1土體材料的性能是一樣的，但是這里以不同的材料編號(hào)區(qū)分剩余土體和挖去土體，目的是為后面方便地選擇被挖去得有效土體單元。23創(chuàng)建隧道支護(hù)控制關(guān)鍵點(diǎn)k,,0,0k,,0,3.85k,,0.88,5.5k,,2.45,6.15k,,4.02,5.5k,,4.9,3.85k,,4.9,024創(chuàng)建隧道支護(hù)線模型和被挖去的土體面larc,1,2,6,8.13 !兩端點(diǎn)，參考點(diǎn)，半徑生成弧線larc,2,3,6,3.21larc,3,4,6,2.22larc,4,5,2,2.22larc,5,6,2,3.21larc,6,7,2,8.13larc,7,1,4,6a,1,2,3,4,5,6,7!由7條線生成一個(gè)面25創(chuàng)建輔助面以及剩余土體的幾何面blc4,x1,y1,w1,h1!創(chuàng)建面2blc4,x2,y2,w2,h2 !創(chuàng)建面3blc4,x3,y3,w3,h3 !創(chuàng)建面4blc4,x4,y4,w4,h4 !創(chuàng)建面5/pnum,area,1!打開面編號(hào)aplot26劃分網(wǎng)格aovl,1,2,3,4,5!5個(gè)面overlap布爾操作nummrg,all,,,,low!合并重復(fù)元素并保留低編號(hào)號(hào)碼numcmp,all!壓縮元素編號(hào)!為分網(wǎng)格準(zhǔn)備l,1,8l,7,9l,6,10l,2,11lsel,s,line,,21,22,1lsel,a,line,,7asbl,5,all!用7,21,22三條線分割面lsel,s,line,,21,24,3lsel,a,line,,1asbl,7,all,!用1,21,24三條線分割面lsel,s,line,,22,23,1lsel,a,line,,6asbl,8,all!用6,22,23三條線分割面nummrg,all,,,,lownumcmp,all27網(wǎng)格劃分lsel,s,line,,2,5,1lccat,all!將2~5連接為一條線lesize,all,,,3!設(shè)置網(wǎng)格分?jǐn)?shù)為3lsel,s,line,,9,11,2lsel,a,line,,6lsel,a,line,,1lesize,all,,,8lsel,s,line,,8,10,2lsel,a,line,,7lesize,all,,,12lsel,s,line,,21,24,1lesize,all,,,10,2type,2asel,s,area,,5,8,1amesh,all28對(duì)其余的面進(jìn)行網(wǎng)格劃分asel,s,area,,1amesh,1lsel,s,line,,12,13,1lesize,all,,,8lsel,s,line,,15,18,1lesize,all,,,6,2asel,s,area,,2,3,1amesh,alllsel,s,line,,14lesize,all,,,24lsel,s,line,,19,20,1lesize,all,,,6,2lsel,s,line,,15,17,2lsel,a,line,,8lccat,allasel,s,area,,4amesh,alllsel,s,lccaldele,allnummrg,all,,,,lownumcmp,allallsel29將支護(hù)的線模型拉伸成殼模型k,1000,,,-length_z !定義一個(gè)輔助關(guān)鍵點(diǎn)l,1,1000 !定義一個(gè)輔助線/view,1,1,1,1/replotextopt,esize,10,0!由線拉伸成殼的相關(guān)屬性設(shè)置，10段，比例0lsel,s,line,,1,7,1adrag,all,,,,,,25gplottype,3real,1mat,1asel,s,loc,z,-25aplotlsel,s,loc,z,-25lesize,all,,,10mshape,0,2D !0表示用四邊形單元?jiǎng)澐謒shkey,1！1表示映射網(wǎng)格amesh,all30創(chuàng)建圍巖單元asel,invertaplotextopt,esize,10,0,extopt,aclear,1！原面網(wǎng)格不保存type,4mat,2asel,r,area,,2,8,1vdrag,all,,,,,,25allsel31待挖去部分巖石的實(shí)體

mat,3vdrag,1,,,,,,25eplotnummrg,all,,,,lownumcmp,allfini32加載并求解!a施加邊界條件以及重力加速度/soluantype,staticasel,s,loc,x,x2asel,a,loc,x,x2+w4da,all,ux,0allsasel,s,loc,y,y4da,all,uy,0allsasel,s,loc,z,-length_zasel,a,loc,z,0da,all,uz,0allselacel,,10！重力加速度1033設(shè)定分析選項(xiàng)deltim,0.1,0.05,0.2！時(shí)間步長(zhǎng)autots,on!使用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)pred,on!打開時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)器lnsrch,on!打開線性搜索nlgeom,on !打開大位移效果 nropt,full!設(shè)定牛頓-拉普森迭代cnvtol,f,,0.02,2,0.05!設(shè)定力收斂條件34進(jìn)行初始地應(yīng)力計(jì)算esel,s,type,,3 !選擇支護(hù)殼，然后將其殺死ekill,allesel,allesel,s,li