ANSYS不同單元之間耦合

2016-10-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

論壇里常有人問不同單元之間的連接問題,我自己也一直被這個問題所困繞,最近從ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例上知道了ANSYS中不同單元之間的連接原則。感覺收收獲不小,現(xiàn)把它上傳與大家共享。
一般來說,按“桿梁殼體”單元順序,只要后一種單元的自由度完全包含前一種單元的自由度,則只要有公共節(jié)點(diǎn)即可,不需要約束方程,否則需要耦合自由度與約事方程。例如:
(1)桿與梁、殼、體單元有公共節(jié)點(diǎn)即可,不需要約束方程。
(2)梁與殼有公共節(jié)點(diǎn)怒可,也不需要約束寫約束方程;殼梁自由度數(shù)目相同,自由度也相同,盡管殼的rotz是虛的自由度,也不妨礙二者之間的關(guān)系,這有點(diǎn)類同于梁與桿的關(guān)系。
(3)梁與體則要在相同位置建立不同的節(jié)點(diǎn) ,然后在節(jié)點(diǎn)處耦合自由度與施加約束方程。
(4)殼與體則也要相同位置建立不同的節(jié)點(diǎn) ,然后在節(jié)點(diǎn)處耦合自由度與施加約束方程。

例如:

桿與梁、殼、體單元有公共節(jié)點(diǎn)即可,不需要約束方程。
梁與殼有公共節(jié)點(diǎn)即可,也不需要約束寫約束方程;殼梁自由度數(shù)目相同,自由度也相同,盡管殼的rotz是虛的自由度,也不妨礙二者之間的關(guān)系,這有點(diǎn)類同于梁與桿的關(guān)系。
梁與體則要在相同位置建立不同的節(jié)點(diǎn),然后在節(jié)點(diǎn)處耦合自由度與施加約束方程。
殼與體則也要相同位置建立不同的節(jié)點(diǎn) ,然后在節(jié)點(diǎn)處耦合自由度與施加約束方程。

舉例:

有一長為100mm的矩形截面梁,截面為10X1mm,與一規(guī)格為20mmX7mmX10mm的實(shí)體連接,約束實(shí)體的端面,在梁端施加大小為3N的y方向的壓力,梁與實(shí)體都為一材料,彈性模量為30Gpa,泊松比為0.3。本例主要講解梁與實(shí)體連接處如何利用耦合及約束方程進(jìn)行處理。

命令流如下:

FINI

/CLE

/FILNAME,BEAM_AND_SOLID_ELEMENTS_CONNECTION !定義工作文件名

/TITLE,COUPLE_AND_CONSTRAINT_EQUATION !定義工作名

/PREP7

ET,1,SOLID95 !定義實(shí)體單元類型為SOLID95

ET,2,BEAM4 !定義梁單元類型為BEAM4

MP,EX,1,3E4 !定義材料的彈性模量

MP,PRXY,1,0.3 !定義泊松比

R,1 !定義實(shí)體單元實(shí)常數(shù)

R,2,10.0,10/12.0,1000/12.0,10.0,1.0 !定義梁單元實(shí)常數(shù)

BLC4,,,20,7,10 !創(chuàng)建矩形塊為實(shí)體模型

WPOFFS,0,3.5 !將工作平面向Y方向移動3.5

WPROTA,0,90 !將工作平面繞X軸旋轉(zhuǎn)90度

VSBW,ALL !將實(shí)體沿工作平面剖開

WPOFFS,0,5 !將工作平面向Y方向移動5

WPROTA,0,90 !將工作平面繞X軸旋轉(zhuǎn)90度

VSBW,ALL !將實(shí)體沿工作平面剖開

WPCSYS,-1 !將工作平面設(shè)為與總體笛卡兒坐標(biāo)一致

K,100,20,3.5,5 !創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

K,101,120,3.5,5 !創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

L,100,101 !連接關(guān)鍵點(diǎn)生成梁的線實(shí)體

LSEL,S,LOC,X,21,130 !選擇梁線

LATT,1,2,2 !指定梁的單元屬性

LESIZE,ALL,,,10 !指定梁上的單元份數(shù)

LMESH,ALL !劃分梁單元

VSEL,ALL !選擇所有實(shí)體

VATT,1,1,1 !設(shè)置實(shí)體的單元屬性

ESIZE,1 !指定實(shí)體單元尺寸

MSHAPE,0,2D !設(shè)置實(shí)體單元為2D

MSHKEY,1 !設(shè)置為映射網(wǎng)格劃分方法

VMESH,ALL !劃分實(shí)體單元

ALLS !全選

FINI !退出前處理

/SOLU !進(jìn)入求解器

ASEL,S,LOC,X,0 !選擇實(shí)體的端面

DA,ALL,ALL !約束實(shí)體端面

ALLS !全選

FK,101,FY,-3.0 !在兩端施加Y向壓力

CP,1,UX,1,21 !耦合節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)21X方向自由度

CP,2,UY,1,21 !耦合節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)21Y方向自由度

CP,3,UZ,1,21 !耦合節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)21Z方向自由度

CE,1,0,626,UX,1,2328,UX,-1,1,ROTY,-ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !設(shè)置約束方程

CE,2,0,67,UX,1,4283,UX,-1,1,ROTZ,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !設(shè)置約束方程

CE,3,0,67,UZ,1,4283,UZ,-1,1,ROTX,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !設(shè)置約束方程

ALLS !全選

SOLVE !保存

FINI !退出求解器

/POST1 !進(jìn)入通用后處理

PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !顯示Y方向位移

PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !顯示等效應(yīng)力

ETABLE,ZL1,SMISC,1 !讀取梁單元上I節(jié)點(diǎn)X方向的力

ETABLE,ZL2,SMISC,7 !讀取梁單元上J節(jié)點(diǎn)X方向的力

ETABLE,MZ1,SMISC,6 !讀取梁單元上I節(jié)點(diǎn)Z方向的力矩

ETABLE,MZ2,SMISC,12 !讀取梁單元上J節(jié)點(diǎn)Z方向的力矩

PLETAB,ZL1 !顯示梁單元X方向的力

PLETAB,MZ1 !顯示梁單元Z方向力矩

    上面所述的不同單元之間的接連方法主要是用耦合自由度和約束方程來實(shí)現(xiàn)的,有一定的局限性,只適用于小位移,下面介紹一種支持大位移算法的方法,MPC法。
        MPC即Multipoint Constraint,多點(diǎn)約束方程,其原理與前面所說的方程的技術(shù)幾乎一致,將不連續(xù)、自由度不協(xié)調(diào)的單元網(wǎng)格連接起來,不需要連接邊界上的節(jié)點(diǎn)完全一一對應(yīng)。
MPC能夠連接的模型一般有以下幾種。
solid 模型-solid 模型
shell模型-shell模型
solid 模型-shell 模型
solid 模型-beam 模型
shell 模型-beam模型
     在 ANSYS中,實(shí)現(xiàn)上述MPC技術(shù)有三種途徑。
(1)通過MPC184單元定義模型的剛性或者二力桿連接關(guān)系。定義MPC184單元模型與定義桿的操作完全一致,而MPC單元的作用可以是剛性桿(三個自由度的連接關(guān)系)或者剛性梁(六個自由度的連接關(guān)系)。
(2)利用約束方程菜單路徑Main Menu>preprocessor>Coupling/Ceqn>shell/solid Interface創(chuàng)建殼與實(shí)體模型之間的裝配關(guān)系。
(3)利用ANSYS接觸向?qū)Чδ芏x模型之間的裝配關(guān)系。選擇菜單路徑Main Menu>preprocessor>Modeling>Creat>Contact Pair,彈出一序列的接觸向?qū)υ捒?按照提示進(jìn)行操作,在創(chuàng)建接觸對前,單擊Optional setting按鈕彈出Contact properties對話框,將Basic選項(xiàng)卡中的Contact algorithm即接觸算法設(shè)置為MPC algorithm?；蛘?在定義完接觸對后,再將接觸算法修改為MPC   algorithm,就相當(dāng)于定義MPC多點(diǎn)約束關(guān)系進(jìn)行多點(diǎn)約束算法。

單元類型的選擇問題

初學(xué)ANSYS的人,通常會被ANSYS所提供的眾多紛繁復(fù)雜的單元類型弄花了眼,如何選擇正確的單元類型,也是新手學(xué)習(xí)時(shí)很頭疼的問題。
     單元類型的選擇,跟你要解決的問題本身密切相關(guān)。在選擇單元類型前,首先你要對問題本身有非常明確的認(rèn)識,然后,對于每一種單元類型,每個節(jié)點(diǎn)有多少個自由度,它包含哪些特性,能夠在哪些條件下使用,在ANSYS的幫助文檔中都有非常詳細(xì)的描述,要結(jié)合自己的問題,對照幫助文檔里面的單元描述來選擇恰當(dāng)?shù)膯卧愋汀?br /> 1.該選桿單元(Link)還是梁單元(Beam)?
這個比較容易理解。桿單元只能承受沿著桿件方向的拉力或者壓力,桿單元不能承受彎矩,這是桿單元的基本特點(diǎn)。
梁單元則既可以承受拉,壓,還可以承受彎矩。如果你的結(jié)構(gòu)中要承受彎矩,肯定不能選桿單元。
對于梁單元,常用的有beam3,beam4,beam188這三種,他們的區(qū)別在于:
1)beam3是2D的梁單元,只能解決2維的問題。
2)beam4是3D的梁單元,可以解決3維的空間梁問題。
3)beam188是3D梁單元,可以根據(jù)需要自定義梁的截面形狀。
2.對于薄壁結(jié)構(gòu),是選實(shí)體單元還是殼單元?
      對于薄壁結(jié)構(gòu),最好是選用shell單元,shell單元可以減少計(jì)算量,如果你非要用實(shí)體單元,也是可以的,但是這樣計(jì)算量就大大增加了。而且,如果選實(shí)體單元,薄壁結(jié)構(gòu)承受彎矩的時(shí)候,如果在厚度方向的單元層數(shù)太少,有時(shí)候計(jì)算結(jié)果誤差比較大,反而不如shell單元計(jì)算準(zhǔn)確。
      實(shí)際工程中常用的shell單元有shell63,shell93。shell63是四節(jié)點(diǎn)的shell單元(可以退化為三角形),shell93是帶中間節(jié)點(diǎn)的四邊形shell單元(可以退化為三角形),shell93單元由于帶有中間節(jié)點(diǎn),計(jì)算精度比shell63更高,但是由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目比shell63多,計(jì)算量會增大。對于一般的問題,選用shell63就足夠了。
     除了shell63,shell93之外,還有很多其他的shell單元,譬如shell91,shell131,shell163等等,這些單元有的是用于多層鋪層材料的,有的是用于結(jié)構(gòu)顯示動力學(xué)分析的,一般新手很少涉及到。通常情況下,shell63單元就夠用了。
3.實(shí)體單元的選擇。
      實(shí)體單元類型也比較多,實(shí)體單元也是實(shí)際工程中使用最多的單元類型。

常用的實(shí)體單元類型有solid45, solid92,solid185,solid187這幾種。

其中把solid45,solid185可以歸為第一類,他們都是六面體單元,都可以退化為四面體和棱柱體,單元的主要功能基本相同,(SOLID185還可以用于不可壓縮超彈性材料)。Solid92, solid187可以歸為第二類,他們都是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元,單元的主要功能基本相同。

     實(shí)際選用單元類型的時(shí)候,到底是選擇第一類還是選擇第二類呢?也就是到底是選用六面體還是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體呢?
     如果所分析的結(jié)構(gòu)比較簡單,可以很方便的全部劃分為六面體單元,或者絕大部分是六面體,只含有少量四面體和棱柱體,此時(shí),應(yīng)該選用第一類單元,也就是選用六面體單元;如果所分析的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,難以劃分出六面體,應(yīng)該選用第二類單元,也就是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元。
    新手最容易犯的一個錯誤就是選用了第一類單元類型(六面體單元),但是,在劃分網(wǎng)格的時(shí)候,由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,六面體劃分不出來,單元全部被劃分成了四面體,也就是退化的六面體單元,這種情況,計(jì)算出來的結(jié)果的精度是非常糟糕的,有時(shí)候即使你把單元劃分的很細(xì),計(jì)算精度也很差,這種情況是絕對要避免的。
     六面體單元和帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元的計(jì)算精度都是很高的,他們的區(qū)別在于:一個六面體單元只有8個節(jié)點(diǎn),計(jì)算規(guī)模小,但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)很難劃分出好的六面體單元,帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元恰好相反,不管結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜,總能輕易地劃分出四面體,但是,由于每個單元有10個節(jié)點(diǎn),總節(jié)點(diǎn)數(shù)比較多,計(jì)算量會增大很多。
     前面把常用的實(shí)體單元類型歸為2類了,對于同一類型中的單元,應(yīng)該選哪一種呢?通常情況下,同一個類型中,各種不同的單元,計(jì)算精度幾乎沒有什么明顯的差別。選取的基本原則是優(yōu)先選用編號高的單元。比如第一類中,應(yīng)該優(yōu)先選用solid185。第二類里面應(yīng)該優(yōu)先選用solid187。ANSYS的單元類型是在不斷發(fā)展和改進(jìn)的,同樣功能的單元,編號大的往往意味著在某些方面有優(yōu)化或者增強(qiáng)。
       對于實(shí)體單元,總結(jié)起來就一句話:復(fù)雜的結(jié)構(gòu)用帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體,優(yōu)選solid187,簡單的結(jié)構(gòu)用六面體單元,優(yōu)選solid185。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才