高效率建模方法--單元種類

1、September 30, 1998,B-29,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),,,,,,,.,.,.,,,.,.,.,,,,高效率建模方法 - 單元種類,常用單元的形狀,,,,點(diǎn) (質(zhì)量),線(彈簧，梁，桿，間隙),面 (薄殼, 二維實(shí)體,軸對稱實(shí)體),線性,二次,體(三維實(shí)體),線性,二次,,,,,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,

2、.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,September 30, 1998,B-30,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),在單元手冊(資料或在線幫助)中，ANSYS單元庫有100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元的選擇范圍縮小到少數(shù)幾個(gè)單元上。,,,,,具體單元名稱,單元圖示,ANS

3、YS 單元名稱,單元特性,,,,,(類別, 編號(hào)),www.3722.cn 中國最大的資料庫下載,September 30, 1998,B-31,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),準(zhǔn)則,高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),在結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)決定單元類型的選擇。選擇維數(shù)最低的單元去獲得預(yù)期的結(jié)果 (盡量做到能選擇點(diǎn)而不選擇線，能選擇線而不選擇平面，能選擇平面而

4、不選擇殼，能選擇殼而不選擇三維實(shí)體).對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)考慮建立兩個(gè)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)構(gòu)承載狀態(tài)或采用不同分析選項(xiàng)作實(shí)驗(yàn)性探討。,September 30, 1998,B-32,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,線單元:Beam(梁)單元是用于螺栓(桿)，薄壁管件，C形截面構(gòu)件，角鋼或者

5、狹長薄膜構(gòu)件(只有膜應(yīng)力和彎應(yīng)力的情況)等模型。Spar (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。Spring 單元是用于彈簧，螺桿，或細(xì)長構(gòu)件，或 通過剛度等效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)等模型。,September 30, 1998,B-33,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,殼單元:Shell (殼)單元用于薄面

6、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主尺寸不低于其厚度的10倍。,準(zhǔn)則,September 30, 1998,B-34,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,X-Y 平面單元: 在整體笛卡爾X-Y平面內(nèi)（模型必須建在此面內(nèi)），有幾種類型的ANSYS單元可以選用。其中任何一種單元類型只允許有平面應(yīng)力、平

7、面應(yīng)變 、軸對稱、和/或者諧結(jié)構(gòu)特性。 平面應(yīng)力或應(yīng)變:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,O,K,N,J,M,P,L,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,I,J,K,L,O,P,N,M,Triangular Option,Y,(or Axial),X (or Radial),,,,,September 30, 1998,B-35,In

8、troduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,平面應(yīng)力 假定在Z方向上的應(yīng)力為零，主要有以下特點(diǎn)：當(dāng)Z方向上的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X和Y方向上的尺寸才有效。所有的載荷均作用在XY平面內(nèi)。在Z方向上存在應(yīng)變。運(yùn)動(dòng)只在XY平面內(nèi)發(fā)生。允許具有任意厚度 (Z方向上) 。,平面應(yīng)力 分析是用來分析諸如承受面內(nèi)載荷的平板、承受壓力或遠(yuǎn)離中心載荷的薄

9、圓盤等結(jié)構(gòu)。,September 30, 1998,B-36,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,平面應(yīng)變 假定在Z方向的應(yīng)變?yōu)榱?，主要具有以下特點(diǎn)：當(dāng)Z方向上的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X和Y方向上的尺寸才有效。所有的載荷均作用在XY平面內(nèi)。在Z方向上存在應(yīng)力。運(yùn)動(dòng)只在XY平面內(nèi)發(fā)生。,平面應(yīng)變分析是用于分析那種一個(gè)方向的尺寸（指

10、定為總體Z方向）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向的尺寸，并且垂直于Z軸的橫截面是不變的。,September 30, 1998,B-37,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,軸對稱 假定三維實(shí)體模型是由XY面內(nèi)的橫截面繞Y軸旋轉(zhuǎn)360o 形成的（管，錐體，圓板, 圓頂蓋，圓盤等）。對稱軸必須和整體 Y 軸重合。不允許有負(fù) X 坐標(biāo)。Y

11、方向是軸向，X方向是徑向， Z方向是周向 (hoop) 。周向位移是零；周向應(yīng)變和應(yīng)力十分明顯。只能承受軸向載荷（所有載荷）。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

12、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Hoop,September 30, 1998,B-38,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,諧單元 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

13、每一部分獨(dú)立進(jìn)行求解，然后根據(jù)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，其中受扭和受彎對應(yīng)于傅立葉級數(shù)的第1和第2項(xiàng)。這種簡化處理本身不具有任何近似性！,單元坐標(biāo)系 (顯示的是 KEYOPT(1)=0情形),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,O,K,J,M,P,L,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,I,J,K,L,O,P,N,M,Triangular Op

14、tion,,,,,,,,,,,,,,,y,x,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,September 30, 1998,B-39,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模

15、方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,諧單元 - 舉例： 假定一承受剪力，彎矩，和/或者扭矩的軸。,軸上的扭矩以傅立葉級數(shù)的一項(xiàng)施加到軸上。這時(shí)，除了扭矩外，事實(shí)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)的其它兩項(xiàng)施加到軸上。,諧單元還可以用于實(shí)際當(dāng)中的任意循環(huán)分布載荷，這可能需要分解成50-100項(xiàng)傅立葉級數(shù)才能得到滿意的結(jié)果。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

16、,M,V,T,September 30, 1998,B-40,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,三維實(shí)體單元:用于那些由于幾何、材料、載荷或分析結(jié)果要求考慮的細(xì)節(jié)等原因造成無法采用更簡單單元進(jìn)行建模的結(jié)構(gòu)。四面體模型使用CAD建模往往比使用專業(yè)的FEA分析建模更容易，也偶爾得到使用。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

17、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,K,R,L,Q,O,P,M,N,J,I,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Tetrahedron mesh,Brick mesh,September 30, 1998,B-41,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),主要單元類型舉例,專用單元:

18、專用單元 包括接觸單元 - 用于構(gòu)件間存在接觸面的結(jié)構(gòu)建模，如渦輪盤和葉片，螺栓頭部和法蘭，電觸頭，以及O-圈等等。 做好接觸分析要求有這方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。,September 30, 1998,B-42,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,線性單元 / 二次單元 / p單元: 一旦你決定采用平面、三維殼或

19、者三維實(shí)體單元，還需要進(jìn)一步?jīng)Q定采用線性、四邊形或P單元。 線性單元和高階單元之間明顯的差別是線性單元只存在 “角節(jié)點(diǎn)”，而高階單元還存在 “中節(jié)點(diǎn)”。下面還提到一些差別。,線性單元內(nèi)的位移按線性變化，因此(大多數(shù)時(shí))單個(gè)單元上的應(yīng)力狀態(tài)是不變的。二次單元內(nèi)的位移是二階變化的，因此單個(gè)單元上的應(yīng)力狀態(tài)是線性變化的。p單元內(nèi)的位移是從2階到 8階變化的，而且具有求解收斂自動(dòng)控制功能，自動(dòng)各位置上分析應(yīng)當(dāng)采用的階數(shù)。,September

20、 30, 1998,B-43,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,其它 ...我們有必要講述一下ANSYS中各線性概念之間的區(qū)別。線性分析 是指不包含任何非線性影響(如：大變形，塑性，或者接觸)。線性方程 求解器 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 (但必須進(jìn)行多次求解)。線性單元

21、 假定單元內(nèi)的自由度按線性變化 (跟二次單元, 三次單元, 或 p單元相比)。,September 30, 1998,B-44,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,線性單元 / 二次單元 / p單元(續(xù)): 在許多情況下，同線性單元相比，采用更高階類型的單元進(jìn)行少量的計(jì)算就可以得到更好的計(jì)算結(jié)果。下面是根據(jù)不同分析目的進(jìn)行

22、單元選擇的情況。,September 30, 1998,B-45,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,線性單元 / 二次單元 / p單元(續(xù)): 再進(jìn)行單元選擇時(shí)應(yīng)考慮的其它因素。線性單元的扭曲變形可能引起精度損失。更高階單元對這種扭曲變形不敏感。就求解的精度的差別講，線性單元和二次單元網(wǎng)格之間的差別遠(yuǎn)沒有平面單元和三

23、維實(shí)體單元網(wǎng)格之間的差別那么驚人之大。你可能更喜歡使用線性(平)殼單元。,高度扭曲的二次情形 (非平行對邊),September 30, 1998,B-46,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,線性單元 / 二次單元 / p單元(續(xù)):大多數(shù)二次單元允許忽略部分或所有邊的中節(jié)點(diǎn) - 但是，在沒有中節(jié)點(diǎn)的邊上，你只能得到線性

24、結(jié)果。如果所有中節(jié)點(diǎn)均不存在，該單元就變成了線性單元，計(jì)算精度也隨之降低 (由于轉(zhuǎn)化成線性單元的二次單元和塊單元具有“不相容的位移模式”，并引起單元彎曲)。,,,,,,,September 30, 1998,B-47,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,線性單元 / 二次單元 / p單元(續(xù)):更高階的單元模擬曲面的精度就

25、越高。,低階單元,更高階單元,September 30, 1998,B-48,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,線性單元 / 二次單元 / p單元(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元網(wǎng)格，ANSYS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。其原因是，由于模

26、型表面單元的彎曲程度過大，使部分中節(jié)點(diǎn)偏離了自身位置， 最終決定了你能劃分單元網(wǎng)格的稀疏程度。同其它軟件一樣，ANSYS程序允許用更高階的直邊單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格 (降低了實(shí)際幾何模型的精度，特別是對于p單元而言，通常極不理想)，也允許用不帶中節(jié)點(diǎn)的更高階單元?jiǎng)澐謫卧W(wǎng)格 (即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，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。,September 30, 19

27、98,B-49,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,線性單元 / 二次單元 / p單元(續(xù)):你不能將接觸單元同具有中節(jié)點(diǎn)的單元連起來 ( 僅對于節(jié)點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)-面接觸單元而言-- 對于面-面接觸單元?jiǎng)t是允許的)。類似地，在熱分析問題中， 你不能將輻射link單元或者非線性對流表面添加到具有中節(jié)點(diǎn)的單元上。(ANSYS

28、提供了多種劃分必須忽略中節(jié)點(diǎn)的單元網(wǎng)格的方法)。,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。,September 30, 1998,B-50,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,四邊形單元 / 三角形單元，塊單元 / 四面體單元:針對平面或者三維殼體分析模型而言，四邊形單元和三角形單元是有差別的，下表列出了這

29、些差異。,September 30, 1998,B-51,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,四邊形單元 / 三角形單元，塊單元 / 四面體單元(續(xù)): 全部采用三角形單元網(wǎng)格的理由是相當(dāng)少的。給面進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分的實(shí)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(shí)際上，各處存在三角形單元會(huì)相當(dāng)麻煩，但是應(yīng)當(dāng)仔細(xì)

30、思考下列問題:如果采用更高階單元，三角形單元的計(jì)算精度接近于二次單元。所以，全部采用二次單元網(wǎng)格也是沒有什么理由的。如果你采用線性單元，三角形單元就十分糟糕- 但是，不這樣會(huì)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(結(jié)構(gòu)的或者非結(jié)構(gòu)的)不得不包含部分形狀糟糕的三角形單元網(wǎng)格 。所以，還是沒有理由全部采用四邊形單元。,September 30, 1998,B-52,Introduction to ANSYS

31、- Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,四邊形單元 / 三角形單元，塊單元 / 四面體單元(續(xù)): 對三維實(shí)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。,September 30, 1998,B-53,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供

32、選擇的單元類型,四邊形單元 / 三角形單元，塊單元 / 四面體單元(續(xù)):建立三維實(shí)體模型需要作出下列選擇： 使用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格 采用簡便方法建立實(shí)體模型。 選用二次單元或者 p單元?；?者 使用塊單元?jiǎng)澐謫卧W(wǎng)格選用塊單元網(wǎng)格建立實(shí)體模型。通常需要花費(fèi)更多時(shí)間和精力。 劃分子區(qū)域 連接處理 延伸 采用任何塊單元。,September 30, 1998,B-54,Introduction to ANSY

33、S - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,四邊形單元 / 三角形單元，塊單元 / 四面體單元(續(xù)):為什么使用四面體單元?jiǎng)澐謫卧W(wǎng)格會(huì)有這么大的困難呢？過去，有限元模型全部采用線性四面體單元網(wǎng)格 (我們已經(jīng)講過這種模型十分“粗糙”)。 現(xiàn)在，使用二次單元和p單元的有限元模型變得相當(dāng)理想了。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3到10倍。迄今求解

34、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(jì)算機(jī)來求解無關(guān)緊要的四面體單元模型。,塊單元網(wǎng)格:125 個(gè)單元216 個(gè)節(jié)點(diǎn),四面體單元網(wǎng)格: 679 個(gè)單元1230 個(gè)節(jié)點(diǎn),September 30, 1998,B-55,Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128),高效率建模方法 - 單元種類(續(xù)),其它可供選擇的單元類型,四邊形單元 / 三角形單元，塊單元 / 四面體單元(

35、續(xù)):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?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí)還需要進(jìn)行一些處理，消除接觸面上的中節(jié)點(diǎn) (只針對節(jié)點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)接觸單元和節(jié)點(diǎn)-面接觸單元，而面-面接觸單元?jiǎng)t不需要)。長或薄結(jié)構(gòu)劃分成塊單元網(wǎng)格可能更理想。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,potential contact region,September 30, 1998,B-56,Introduct