有限元三维实体单元与壳单元的组合建模问题研究

壳单元和实体单元计算结果1. 定义和特点：壳单元，壳单元是一种表面元素，用于模拟薄壳结构，如板、膜、壳等。

它具有两个主要表面，即上表面和下表面，其厚度相对较小。

壳单元的特点是能够模拟结构的弯曲和剪切行为，适用于分析弯曲、屈曲、挤压等问题。

实体单元，实体单元是一种三维体元素，用于模拟实体结构，如立方体、球体、圆柱体等。

它具有体积和形状，可以模拟结构的各向同性和各向异性行为，适用于分析拉伸、压缩、扭转等问题。

2. 计算结果的类型：壳单元，壳单元的计算结果包括应力、应变、位移、刚度矩阵等。

应力和应变可以用来评估结构的强度和稳定性，位移可以用来评估结构的变形情况，刚度矩阵可以用来评估结构的刚度和挠度。

实体单元，实体单元的计算结果包括应力、应变、位移、应力路径等。

应力和应变可以用来评估结构的强度和稳定性，位移可以用来评估结构的变形情况，应力路径可以用来评估结构的应力分布情况。

3. 计算方法和求解器：壳单元，壳单元的计算通常采用壳理论和有限元方法进行求解。

常见的壳理论有薄板理论、壳理论和厚板理论等。

求解壳单元问题的常用求解器有ANSYS、ABAQUS、Nastran等。

实体单元，实体单元的计算通常采用体积积分法和有限元方法进行求解。

求解实体单元问题的常用求解器有ANSYS、ABAQUS、Nastran等。

4. 精度和适用范围：壳单元，壳单元适用于薄壳结构的分析，具有较高的计算效率和较低的计算成本。

但是，在处理厚度较大的结构或存在复杂的几何形状时，壳单元的精度可能会受到限制。

实体单元，实体单元适用于各种结构的分析，具有较高的计算精度和较高的计算成本。

实体单元可以更准确地模拟结构的各向异性和非线性行为。

综上所述，壳单元和实体单元在有限元分析中都具有重要的作用，它们可以通过计算得到不同类型的结果，用于评估结构的强度、稳定性、变形情况等。

选择使用哪种单元类型取决于具体的分析对象、几何形状和计算要求。

总752期第十八期2021年6月河南科技Journal of Henan Science and Technology不同单元类型对仿真计算结果的影响钟响亮（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412000）摘要：大型计算软件提供的丰富单元类型为仿真计算带来了极大便利，而如何选取合适的单元类型是保证仿真精度的关键要素之一。

选用ABAQUS软件中常用的几种实体单元类型，以某公司无轨电车上拉杆产品为研究对象，对其进行有限元网格划分，分析其结构静强度，并对比研究计算结果以发现相关规律。

通过实例计算比较了不同单元类型对计算结果精度的影响，并为有限元分析建模过程中单元类型的选取提出一些建议。

关键词：单元类型；ABAQUS软件；有限元分析；上拉杆结构中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）18-0061-05 Influence of Different Element Types on Simulation ResultsZHONG Xiangliang（Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd.，Zhuzhou Hunan412000）Abstract:The rich cell types provided by large-scale computing software provide convenience for computing.How to select the appropriate element type is one of the key elements to ensure the simulation accuracy.In this paper,sever⁃al solid element types commonly used in ABAQUS software are selected,and the trolley car upper tie rod products of a company are taken as the research object.The finite element mesh is divided,the structural static strength analysis is carried out,and the calculation results are compared.The effects of different element types on the accuracy of cal⁃culation results are compared through example calculation,and some suggestions on the selection of element types in the process of finite element analysis and modeling are put forward.Keywords:unit type；ABAQUS software；finite element analysis；upper tie rod structure仿真计算是解决复杂工程结构设计中分析计算问题的重要工具，能够为产品的设计开发提供最优方案。

薄壁结构中壳单元与实体单元的有限元差异分析
郭泽锋
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2023()2
【摘要】使用ANSYS有限元分析软件对薄壁结构进行有限元分析时,单元类型的选取对分析结果的精度产生很大影响。

通过使用实体单元和壳单元对一个钢管封头模型进行有限元分析,比较两种单元类型的分析结果差异。

计算结果表明,使用合适的单元尺寸,并在厚度方向进行剖分网格,实体单元的分析结果与壳单元误差只有3.33%,对于封头顶点这类接近平面的部位,两者误差仅有2.23%。

而单元尺寸变大后,实体单元的分析结果偏离准确值较壳单元更明显。

因此,使用实体单元分析需要合适的网格尺寸。

【总页数】4页(P22-24)
【作者】郭泽锋
【作者单位】广东省水利电力勘测设计研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TV37;TG115
【相关文献】
1.壳单元和实体单元模拟爆炸荷载作用钢板动力响应的差异性比较
2.体-壳单元组合建模法在圆柱壳开孔结构有限元分析中的应用
3.有限元三维实体单元与壳单元
的组合建模问题研究4.壳单元和实体单元在矩形压力蒸汽灭菌器有限元分析中的应用5.纳米比亚LNG项目高桩墩台结构实体单元与壳单元建模分析
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HyperMesh梁单元和壳单元的混合建模本文根据工程实例，应用有限元软件HyperMesh 进行梁单元和壳单元的混合建模，并在其中详细论述，梁单元在与壳单元混合建模的过程中如何对梁单元进行偏置处理，保证梁单元与壳单元的所有节点完全耦合。

在焊接工艺中，梁单元与壳单元的使用可以大大提高整体焊接结构的抵抗变形能力，避免单独使用壳单元时强度和刚度的不足。

HyperMesh软件中提供了大量标准梁的截面，也可以通过实际应用需求单独创建梁截面。

在1D面板中点选HyperBeam选项，如图1所示。

图1 1D面板中的HyperBeam选项HyperBeam中提供了大量的梁截面，如图2所示。

图2 HyperBeam下的各种梁截面图2中红色箭头所指的是各种标准梁截面的属性，包括H型梁，L 型梁，工型梁等等。

可以根据实际需求进行选择，而且可以自己独立进行尺寸编辑。

图2中的shell section可以建立独立的壳截面，solid section可以建立独立的实体截面。

在建立完成各种梁的截面属性之后，可以通过edit section 进行梁截面属性的修改。

以上主要介绍了1D梁单元的使用情况，下面将根据工程实例对壳单元和梁单元的混合建模进行详细的介绍。

图3是梁单元和壳单元焊接之后的三维图，图4是图3中梁单元以1D显示的情况。

二者之间的切换功能键如图5所示。

图3 梁单元和壳单元焊接之后梁单元以3D显示图4 梁单元和壳单元焊接之后梁单元以1D显示图5 梁单元1D与3D之间的切换功能键下面介绍梁单元的具体创建方法，不再讲述壳单元的建立方法。

首先建立Beam Section，在软件左侧右键create--Beam Section，在出现的对话框窗口中对Bean进行命名。

具体的过程如图6所示。

图6 Beam的建立过程之后进入1D--HyperBeam面板，选择Standard section选择Standard Channel面板，打开面板后对各个参数进行修改，如图7所示。

一 、20分）（×）1. 节点的位置依赖于形态，而并不依赖于载荷的位置（√）2. 对于高压电线的铁塔那样的框架结构的模型化处理使用梁单元（×）3. 不能把梁单元、壳单元和实体单元混合在一起作成模型（√）4. 四边形的平面单元尽可能作成接近正方形形状的单元（×）5. 平面应变单元也好，平面应力单元也好，如果以单位厚来作模型化处理的话会得到一样的答案（×）6. 用有限元法不可以对运动的物体的结构进行静力分析（√）7. 一般应力变化大的地方单元尺寸要划的小才好（×）8. 所谓全约束只要将位移自由度约束住，而不必约束转动自由度（√）9. 同一载荷作用下的结构，所给材料的弹性模量越大则变形值越小（√）10一维变带宽存储通常比二维等带宽存储更节省存储量。

二、填空（20分）1．平面应力问题与薄板弯曲问题的弹性体几何形状都是 薄板 ，但前者受力特点是： 平行于板面且沿厚度均布载荷作用 ，变形发生在板面内；后者受力特点是： 垂直于板面 的力的作用，板将变成有弯有扭的曲面。

2．平面应力问题与平面应变问题都具有三个独立的应力分量： σx ，σy ，τxy ，三个独立的应变分量：εx ，εy ，γxy ，但对应的弹性体几何形状前者为 薄板 ，后者为 长柱体 。

3．位移模式需反映 刚体位移 ，反映 常变形 ，满足 单元边界上位移连续 。

4．单元刚度矩阵的特点有：对称性 ， 奇异性 ，还可按节点分块。

5．轴对称问题单元形状为：三角形或四边形截面的空间环形单元 ，由于轴对称的特性，任意一点变形只发生在子午面上，因此可以作为 二 维问题处理。

6．等参数单元指的是：描述位移和描述坐标采用相同的形函数形式。

等参数单元优点是：可以采用高阶次位移模式，能够模拟复杂几何边界，方便单元刚度矩阵和等效节点载荷的积分运算。

7．有限单元法首先求出的解是 节点位移 ，单元应力可由它求得，其计算公式为{}{}[][]eD B σδ=。

收稿日期:2004-07-22作者简介:王宏雁(1962-),女,黑龙江哈尔滨人,工学博士,副教授.E 2mail :why 2sos @汽车座椅有限元建模与计算王宏雁,张　丹(同济大学汽车学院,上海　200092)摘要:采用“壳-体单元相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析(CAE )模型.利用Ansys 软件计算了座垫弹性,与座椅试验的力-变形曲线对比,以验证建模与材料定义的正确性.另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应,分析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响.关键词:汽车座椅;有限元;建模;计算中图分类号:U 270.2 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2004)07-0947-05Modeling and Simulation with Finite ElementMethod in Vehicle SeatsW A N G Hong 2yan ,ZHA N G Dan(College of Automobiles ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :Establish the computer 2aided engineering model of car seat with the methods “shell and solid elements combining ”,calculate the elasticity of seat with pared with the “force 2distortion ”curve of seat test ,we examine the validity of modeling and the definition of materials.The influence of seat softness to the injury index of the driver in frontal crash is also discussed.Key words :car seat ;finite element method ;model building ;simulation 汽车座椅不仅要能够支撑乘员身体的重量,减轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求,还要求能与安全带和安全气囊匹配,对乘员定位,缓解碰撞的强度,使乘员的损伤指标达到最小,以满足被动安全性要求[1].在汽车碰撞安全性模拟分析过程中,乘员约束系统的作用不可忽视,所以作为系统因素之一的汽车座椅的建模方法以及它对碰撞模拟分析精度的影响值得探讨.1　座椅模型的建立在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立.这一般包括几何模型、网格划分、添加约束与载荷以及定义材料等.它直接影响着碰撞仿真的计算精度和效率.建模的基本原则是准确性,为了保证计算精度,模型必须能够如实反映座椅的几何特性和力学特性.为了提高模拟计算的效率,在建模时还必须考虑单元类型、数量和质量等因素.座椅有限元模型的建立原则为(1)在保证计算目的和精度的条件下,适当简化模型.(2)合理选择单元类型,减少输入数据量和计算时间.(3)合理控制单元大小,相应分配模型单元数.1.1　壳单元的选取第32卷第7期2004年7月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.32No.7　J ul.2004壳单元的选取应从精度、效率以及对几何型面进行离散化时的方便性和准确性加以考虑.H Y2 PERM ESH软件提供了103,104,106,108号等多种壳单元类型,座椅骨架有限元模型通常采用三角形(103号)和四边形(104号)壳单元.从几何模拟角度看,采用三角形单元进行空间型面离散化,较为灵活、方便、准确,尤其易于逼近复杂的过渡面,在许多CAD/CAM软件中常常采用三角形单元,用作基本的离散化单元,但在有限元分析中,三角形单元的计算精度和准确度较差[2].四边形单元具有较高的精度和准确度,可以有效保证座椅有限元模拟计算与实车碰撞结果的一致性,但四边形单元的计算效率比较低,需要较长机时才能完成模拟计算.建立座椅有限元模型时,尽量采用了四边形单元,尤其是对于座垫、靠背、底座骨架等关键受力部位,全部采用四边形单元划分网格;个别尺寸、形状变化较大的区域,如座椅侧两表面相交处,采用了少量三角形单元.三角单元的比例控制在占总单元数的10%以下(如图1).1.2　体单元的选取H YPERM ESH软件提供了204,206,208,210,215,220等多种体单元类型,根据国外体单元建模经验与笔者的研究结果,座垫、靠背和头枕泡沫的建模选用六面体单元(208号),质量较四面体单元好,而且计算速度快(如图2).图1　骨架底板CAE模型Fig.1　CAE model of skeletonplate图2　座椅头枕CAE模型Fig.2　CAE model of headrest1.3　单元质量的控制根据经验和计算精度的要求,确定控制单元质量原则,见表1.表1　单元质量原则T ab.1　Principle of element qu ality壳单元体单元共用参数warpage(翘曲度)<5.0°<5.0°aspect(单元长宽比)<5.0<5.0 skew(弯曲度)<60.0°<60.0°Length(单元长度)>7.5mm>20mm Jacobian(雅克比)>0.7>0.7tet collapse>0.5 tetra AR<5.0对四边形单元min angle(最小角度)>45°max angle(最大角度)<135°对三角形单元min angle(最小角度)>20°max angle(最大角度)<120°对四边形单元面min angle(最小角度)>45°max angle(最大角度)<135°对三角形单元面min angle(最小角度)>20°max angle(最大角度)<120° 座椅有限元模型如图3～5所示.1.4　模型各部分的连接座椅骨架部分构件是通过焊接装配的,这就涉及到零件焊接工艺的模拟.目前,在有限元计算中对焊接的模拟主要有杆单元连接法、公用单元法和公用节点法等3种比较成熟的方法,如图6～8所示. 公用节点法是一种比较简单的焊接模拟方法,即在焊点位置将所对应的2个零件的单元节点连接起来,两单元公用同一节点,从而模拟焊点的连接功能.杆单元连接法是指在焊点位置采用一无质量的849 同济大学学报(自然科学版)第32卷　刚性杆单元将对应位置的2个节点连接起来.刚性的杆单元约束住所连接的节点,使其具有相同的自由度,以模拟实际焊点的焊接功能,并且还可以定义杆单元承受的轴向力极限和剪切力极限,当超过极限力时,杆单元的约束功能消失,从而模拟焊点失效.公用单元法则可以单独定义公用单元的材料特性,以模拟实际焊接处的金属材料特性,同时也可定义相应的焊接失效条件,因此,这种方法可以对焊点实现精确的模拟,但是工作量十分巨大,不仅需要对焊点作专门的材料试验,而且在有限元网格处理方面也具有一定的难度.比较3种焊接模拟方法,公用单元法虽然最精确,但工作量过于巨大,而且相应的试验会大大增加研究的时间和费用,对本课题而言不适合;公用节点法精度次之,相对也较为简单,零件模型之间吻合精度较高,因公用节点产生的单元翘曲问题比较少,所以在座椅各部分连接时选用了这种方法.1.5　计算模型的定义本课题选用了PAM2CRASH软件进行模拟碰撞分析,所以在它的前处理软件中建立座椅的计算模型.1.5.1　材料参数选择座垫泡沫选用21号材料(elastic foam with hys2 teresis);座椅外包层选用103号材料(iterative elas2 tic plastic);座椅骨架壳单元采用100号材料(null material for shell element),具体参数参考国外公司提供的数据.1.5.2　接触定义人体模型与座椅的接触采用“面对面”方式,即利用软件提供的33号surface/surface接触,对假人臀部和座垫上表面之间的接触、假人背部和靠背内侧表面之间的接触作定义.座椅泡沫自接触(seat2 self)采用边缘处理自接触方式,即软件所提供的36号(self impacting with edge treatment)接触.2　座椅有限元模型的验证通过网格划分和结构连接,将整个座椅离散为4079个壳单元,2955个体单元,建立了完善的座椅CAE模型(见图9).由于座椅CAE模型是经一些简化后得到的,简化过程是否合理,各部分连接是否恰当,尤其是材料的定义是否准确,直接关系到后期碰撞模拟的真实性和可靠性.所以,必须对座椅CAE模型进行静态计算验证.厂方提供了座椅的加载与变形试验曲线,因此,模型静态计算验证实际就是利用软件进行加载与变形的模拟,考察计算数据是否与实际试验结果相符.本课题采用了Ansys软件.对单元进行定义,包括单元类型、实常数、材料特性等.其中骨架和外包壳单元选用Shell63号单元,泡沫体单元选用Solid 45号单元,见图10.根据座椅通常受力情况,对座垫内固定区域加949　第7期王宏雁,等:汽车座椅有限元建模与计算 载,见图11,每个节点受力均匀.加载节点数为132;面积为400mm ×400mm ;载荷以50N 为步长,从10N 依次增加至650N ,每次加载位置不变.对比计算与试验结果可知:模拟计算结果与试验曲线总的走势基本相符.但在同一载荷作用下,模拟计算的座椅泡沫变形量比真实座椅产生的变形要大一些.在载荷为600N 时,最大相对误差为29.8%(见图12).说明模型对座垫泡沫材料的定义偏软.图12　计算结果与试验曲线对比Fig.12　Curve comparison betw een simulation and test3　座椅材料的软硬程度对碰撞安全性分析的影响 如前所述,在座椅的计算模型建立过程中,座椅材料的定义由于没有试验条件,所以参考了国外汽车公司的试验和经验数据,静态计算结果也表明,所定义的材料偏软.因此必须对材料参数是否会影响最终的整车乘员约束系统的运动响应模拟分析精度[3]进行研究.笔者通过对比不同的座垫泡沫材料在碰撞时对乘员造成的伤害指标,来验证座垫泡沫材料定义的可靠性.根据国家标准,选取假人头部伤害指标I HIC 值、胸部综合加速度a 3ms 、大腿轴向受力F 等3项伤害指标作为评价标准.应用Pam 2crash 软件输入现有座椅泡沫材料,进行正面模拟碰撞,得到乘员的3项伤害指标.然后,用乘员的定位参数定义,在不改变乘员初始定位H 点坐标的前提下,改变座椅座垫泡沫的材料特性,保持应变相同,分别将应力值增加至原来的2倍或者减少至原来的1/2,再次进行模拟碰撞,得到乘员的伤害指标与原来的数值进行比较.3种不同材料对乘员的伤害指标的变化规律,见图13～15.图13　I HIC 值及加速度曲线Fig.13　Curve of I HIC and acceleration59 同济大学学报(自然科学版)第32卷　图14　a 3ms 值及加速度曲线Fig.14　Curve of a 3ms andacceleration图15　腿部受力曲线Fig.15　Axial force curve of the leg 通过以上3种指标的比较,可以看出它们的最大峰值和出现的时间历程都相差无几,由此可知:若座椅泡沫材料相同,仅它的软硬程度不同,对于正面模拟碰撞中乘员的伤害程度的影响很小.其原因在于:座椅的软硬程度的改变,主要影响到了乘员在垂直方向受到的作用力,对正面碰撞过程中乘员由于惯性产生的纵向运动影响不大.图16所示的是在正面碰撞过程中,座椅受最大纵向碰撞力和乘员重力作用下的变形模拟情况.图16　70ms 时座椅变形形状Fig.16　Deform shape at 70ms4　结论采用“体-壳”结合的方法对汽车座椅进行有限元建模的研究是成功的,经试验验证和计算研究这种方法独特且有效,所建模型合理可靠.总的来说,座椅在整车运算过程中,值得注意的因素是体单元质量,提高六面体单元的比例能保证运算的稳定性;其次是材料的定义问题,应与静态试验结果尽量吻合,运算更合理.参考文献:[1]　姚卫民,孙丹丹.汽车座椅系统安全性综述[J ].汽车技术,2002,(8):5-8.[2]　高广军.有限元三维实体与壳单元的组合建模问题研究[J ].中国铁道科学,2002,23(3):52-54.[3]　龚　剑,张金换,黄世霖,等.PAM 2CRASH 碰撞模拟中主要控制参数影响的分析[J ].振动与冲击,2002,21(3):18-20.(编辑:张　弘)159　第7期王宏雁,等:汽车座椅有限元建模与计算。

abaqus实体单元、壳单元、梁单元的定义与用法文章标题：深度了解abaqus实体单元、壳单元、梁单元的定义与用法一、引言在工程领域中，模拟和分析结构力学行为是非常重要的。

ABAQUS作为有限元分析软件，在工程结构分析和仿真中扮演着重要的角色。

在ABAQUS中，实体单元、壳单元和梁单元是常用的元素类型，它们可以用来模拟各种不同类型的结构和力学行为。

本文将深入探讨这些单元的定义与用法。

二、实体单元的定义与用法1. 实体单元是ABAQUS中最基本的有限元单元之一，通常用于模拟具有三维结构的实体物体。

它能够准确描述物体的体积和构造。

2. 实体单元适用于模拟压力容器、机械零件、汽车车身等实体结构的力学行为。

它能够有效分析结构的应力、应变、变形等力学特性。

3. 在实际工程中，使用实体单元时需要注意单元的类型、材料特性、边界条件和加载方式，以确保分析结果的准确性和可靠性。

三、壳单元的定义与用法1. 壳单元是ABAQUS中常用的二维有限元单元，适用于模拟薄壁结构和板材。

它能够准确描述结构的曲率和变形。

2. 壳单元适用于模拟飞机机翼、船体、薄膜结构等薄壁结构的力学行为。

它能够有效分析结构的弯曲、剪切、挠曲等力学特性。

3. 在实际工程中，使用壳单元时需要注意单元的厚度、材料特性、边界条件和加载方式，以确保分析结果的准确性和可靠性。

四、梁单元的定义与用法1. 梁单元是ABAQUS中用于模拟杆件和梁结构的有限元单元，适用于描述结构的轴向变形和弯曲变形。

2. 梁单元适用于模拟桥梁、支撑结构、梁柱结构等杆件和梁结构的力学行为。

它能够有效分析结构的弯曲、扭转、轴向变形等力学特性。

3. 在实际工程中，使用梁单元时需要注意单元的截面特性、材料特性、边界条件和加载方式，以确保分析结果的准确性和可靠性。

五、个人观点和理解在工程结构分析中，选择合适的有限元单元对于准确模拟和分析结构的力学行为是至关重要的。

实体单元、壳单元和梁单元都有各自的优缺点，工程师需要根据具体的结构特点和分析要求来选取合适的单元类型。

ANSYS 三维实体单元与板壳单元的组合建模研究3谢元丕,冯刚(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连　116024)摘要:在实际中经常会遇到三维连续体和薄壁板壳组成的结构,对其进行有限元分析的合理方案是将其分别离散为三维实体单元与板壳单元进行计算。

即使这两种单元在交接处有共用节点,但由于节点自由度的不同而存在转动自由度不连续的问题,导致计算结果与实际偏差很大。

ANSYS 中约束方程法与M PC 法都能够实现三维实体单元与板壳单元正确联结,文中分别说明了其原理与步骤,并结合算例的计算结果对两种方法进行了综合比较,得出了在三维实体单元与板壳单元的组合建模中M PC 法可取代约束方程法的结论。

关键词:ANSYS;实体单元;板壳单元;约束方程;MPC 中图分类号:TP391.7 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2009)04-0005-03 在很多工程实际中,常常遇到三维连续体和薄壁板壳组成的结构。

图1所示为某自升式海洋平台升降装置机座结构图。

其主体由钢板焊接而成,钢板中开孔已焊接轴承座,在安装升降装置后,轴承座将承受径向的载荷。

建立有限元模型时如果全部使用实体单元,首先由于结构复杂,给建模带来困难,另外将使有限元模型的节点数过多,使计算机的工作量过大。

对于这种薄壁板壳结构,使用板壳单元可以大大减少节点数量并达到很好的计算效果。

但是,由于轴承座的厚度过大,不满足壳体在厚度方向的尺度远小于其他两个方向的条件,所以完全采用板壳单元建模也是不合理的。

合理的方案是轴承座用三维实体单元建模,其余部分采用板壳单元建模。

但是这两种单元节点的自由度不同,为保证交界面上的位移协调,就要研究和解决不同类型单元的联结问题。

图1　自升式海洋平台升降装置机座结构图1　理论分析在有限元计算中,通过适当地划分网格使具有不同物理自由度的单元类型组合在交接处共用节点,这样在结构总刚度矩阵中叠加没什么问题(按下标进行叠加),但在共用节点的某些方向存在自由度不连续的问题[1]。

实体单元与板壳单元连接问题研究
杨荣鹤;成凯;赵二飞;于成龙;王宁
【期刊名称】《建筑机械（下半月）》
【年(卷),期】2014(000)002
【摘要】在有限元分析中，经常遇到实体单元与板壳单元连接的问题，通过几种简化方式的对比，分析这类模型在复杂受力情况下的强度和刚度以及其受压时的稳定性，总结几种实用的简化方法。

【总页数】4页(P74-77)
【作者】杨荣鹤;成凯;赵二飞;于成龙;王宁
【作者单位】吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025;吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025;吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025;吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025;吉林大学机械科学与工程学院工程结构研究所，吉林长春 130025
【正文语种】中文
【中图分类】TH122
【相关文献】
1.梁框三维实体单元与板壳单元的组合建模研究 [J], 梁荣娜;赵玺
2.有限元三维实体单元与壳单元的组合建模问题研究 [J], 高广军;田红旗;姚松
3.ANSYS中壳与实体单元连接技术应用 [J], 马云飞
4.钢引桥梁单元模型和实体单元模型建模分析 [J], 邱德阳;袁航;唐艺航
5.ANSYS三维实体单元与板壳单元的组合建模研究 [J], 谢元丕;冯刚
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体-壳单元组合建模法在圆柱壳开孔结构有限元分析中的应用体-壳单元组合建模法在圆柱壳开孔结构有限元分析中的应用随着科学技术的不断发展，圆柱壳结构在各种工业领域中得到了广泛的应用。

然而，圆柱壳在使用过程中常常会因为受到外力或者其他因素的影响而产生破损或裂缝，这时需要对其进行有限元分析以确定其承载能力和使用寿命。

在此过程中，圆柱壳结构的开孔问题一直是研究的一个重要方向。

体-壳单元组合建模法是现代有限元分析中的一种重要方法，在处理圆柱壳开孔结构问题时也具有显著的优势。

其核心思想是将结构分为实体和壳体两部分，实体部分采用立体单元进行建模，壳体部分采用壳体单元进行建模，然后通过节点间的等效机构来连接这两个部分。

这种方法优点明显，可以较好地避免了单一壳体单元在处理应力集中问题时的局限性，同时又避免了普通立体单元在处理薄结构问题时浪费大量计算资源的问题。

在对圆柱壳开孔结构进行有限元分析时，体-壳单元组合建模法的优势体现得尤为明显。

对于不同类型的开孔结构，可以采用定制化的壳体单元进行建模，将开孔部分成功地剔除掉。

然后再利用实体部分计算出连接处的节点间等效机构，从而又在该位置保证了力学连续性，从而将开孔结构的影响最小化。

在分析应力分布时，体-壳单元组合建模法也能够进行比较准确的计算。

在使用立体单元模拟实体部分时，能够很好地模拟出弯曲和剪切的效应；而在使用壳体单元模拟壳体部分时，则能够很好地考虑到薄板的表面效应。

在计算接头处等位置时，可以根据实际需要使用各种节点间等效机构模型，进一步提高计算精度。

对于具有多个开孔的结构体，体-壳单元组合建模法也可以进行合理的分析。

在这种情况下，可以将每个开孔部分单独建模，然后将各个部分通过节点间的等效机构进行连接。

这样一来，虽然模型变得更为复杂，但是整体的计算效率和准确性都可以得到有效的提高。

综上所述，体-壳单元组合建模法在圆柱壳开孔结构的有限元分析中具有重要的应用价值。

无论是单一开孔还是多开孔结构，该方法都能够有效地避免常规建模方法的局限性，并且保证了计算精度和计算效率。

片体—使用壳单元中面偏置研究一、只有一个片体情形：模型见下图，板水平方向长294，另外一个长度为300，厚度为10，单位：mm。

模型左端面完全固定，竖直方向承受0.02MPa压力。

图1 中面偏置—顶部表面1.偏置中面—顶部表面：加载后的有限元模型见图1，分析结果应力图和Y向位移图见图2和图3。

图2 顶部表面应力图图3 顶面表面Y向位移图最大应力为46.2MPa，位置在固定端；最大位移Y负向为1mm，位置在最右端面。

2.偏置中面—底部表面：分析结果应力图和Y向位移图见图4和图5。

图4 底部表面应力图图5 底部表面Y向位移图最大应力为46.2MPa，位置在固定端；最大位移Y负向为1mm，位置在最右端面。

与“偏置中面—顶部表面”完全一样，二者是等效的。

3. 中面不偏置：分析结果应力图和Y向位移图见图6和图7。

图6 中面不偏移应力图图7 中面不偏移Y向位移图最大应力为46.2MPa，位置在固定端；最大位移Y负向为1mm，位置在最右端面。

与前两种完全一样，三者均是等效的。

综上：壳单元一个片体的情形，在承受载荷时，中面是否偏置不影响运算结果。

二、有两个片体情形：例：折弯板左端面完全固定，水平面承受竖直向下的载荷0.02MPa，见图8和图9.图8 折弯板模型图9 折弯板加载后有限元模型方案A：完全采用实体建模，并进行有限元仿真1. 建模方法：UG草图里面建立“L”形草图，水平方向距离300mm，竖直方向高200mm，然后向内偏置6mm，连接偏置前后的线，三维建模里面拉伸300mm。

2. 载荷和边界条件：如图9所示建立载荷和边界条件。

3. 建立JOB，提交分析，得到结果应力图和Y向位移图见下。

图10实体模型—C3D20R单元应力图图11 实体模型—C3D20R单元Y向位移图最大应力为132.2MPa，Y向最大位移为4.83mm。

下面采用壳单元进行模拟，实体模型仿真主要是为了给壳单元提供一个对比参考，如果壳单元计算结果与实体模型基本一致，就证明壳单元的运算结果可靠。

Ansys是一种广泛应用于工程领域的有限元分析软件，能够进行各种结构力学、热传导、流体力学等领域的数值模拟和仿真。

在Ansys中，实体单元是一种常用的有限元单元类型，但在一些特定的仿真场景下，转换为壳单元可以更好地满足分析要求。

本文将就Ansys中实体单元转换为壳单元的方法进行介绍和讨论，希望对Ansys软件的用户能有所帮助。

一、实体单元和壳单元的介绍1. 实体单元实体单元是Ansys中一种常用的有限元单元类型，它具有三维的厚度，适用于对整体结构的仿真分析。

实体单元一般用于对结构的整体受力情况进行分析，例如承受压力、受力分布等。

2. 壳单元壳单元是Ansys中另一种常用的有限元单元类型，它只有二维的厚度，适用于对薄壁结构或者曲面结构的仿真分析。

壳单元一般用于对薄壁结构的受力情况进行分析，例如承受压力、受力分布等。

二、实体单元转换为壳单元的方法在Ansys软件中，实体单元可以通过一定的方法转换为壳单元，下面将介绍一些常用的转换方法。

1. 几何转换在Ansys中，可以通过几何转换的方式将实体单元转换为壳单元。

具体操作是先选择要转换的实体单元，然后通过几何编辑工具进行编辑，将其改造成为壳单元的形状。

2. 网格划分另一种常用的转换方法是通过网格划分，将实体单元的网格划分成为壳单元的网格。

在Ansys中，可以通过设置网格划分参数和命令来实现对实体单元网格的划分和转换。

3. 材料属性设置在Ansys中，可以通过设置材料属性来实现对实体单元到壳单元的转换。

通过更改材料属性的厚度和属性参数等，可以将实体单元的材料属性转换为壳单元所需的属性。

4. 转换技巧在实际操作中，还可以通过一些转换技巧来实现对实体单元到壳单元的转换，例如通过对模型进行分割和连接，或者通过复制和粘贴等方式进行转换。

三、实例演示为了更好地说明实体单元转换为壳单元的方法，下面将通过一个实际的示例来进行演示。

假设有一个钢板的仿真分析任务，初始模型为实体单元建模，需要将其转换为壳单元进行分析。

梁框三维实体单元与板壳单元的组合建模研究梁荣娜赵玺（中航飞机股份有限公司研发中心，陕西西安， 710089）在飞机有限元模型中，通常采用板壳单元进行分析计算，一般情况下可以满足分析要求。

但飞机上有很多结构复杂易损伤且整个寿命期内不能更换的重要受力零件,如飞机机翼梁框等，板壳单元就不能准确估算出损伤部位的应力及疲劳寿命。

通常分析这类零件是把分析部位提取出，建立细节三维实体模型或者根据分析要求在全机有限元模型中建立分析部位的细节三维实体模型。

单独建立细节三维实体模型工作量大，耗时较长，而在全机有限元模型中建立分析部位的细节三维实体模型可以省去边界提取及约束和载荷的施加，能较多的减少工作量，但该方法需要考虑三维实体单元和板壳单元的连接，因此三维实体单元和板壳单元的连接方法对应力及疲劳寿命的影响值得研究。

赵韩[1]等通过对试验结果和有限元数据的对比得出在误差允许的范围内,利用板-实体单元建立的有限元位移分析结果与真实结构的试验值基本吻合。

谢元丕[2]等用MPC法连接板壳单元和三维实体单元得出的应力、位移和整体模型的计算结果基本一致。

谭景磊[3]等通过构造疏密网格保证细节分析，根据结构受力特点对模型进行简化保证细节分析对小网格的需求，同时降低整体结构模型的网格数量，并保证所关心区域的网格质量，在兼顾建模和分析效率的同时，可以满足工程需求。

Patran是大型的专业有限元软件，根据MD Nastran对三维实体单元和板壳单元的连接有用RSSCON将相关节点约束、MPC（RIGID 单元）将相关节点约束和RBE3将相关节点约束[4]。

另外，Patran中采用EQUIVERANCE功能也可以完成不同单元的连接。

三维实体单元与板壳单元之间采用RSSCON连接是将板壳单元上的结点连接到与其相摘要：在Patran全机有限元模型中将梁框的分析部位离散为三维实体单元，其余部分离散为板壳单元，这两种单元采用几种不同的方式连接。

一、空腔模型，如下图所示箱型体，厚度5mm，UG里面抽壳得到。

模型左端斜面面完全固定，竖直方向上顶板承受2MPa压力。

图1 箱型体空腔三维模型图图2 箱型体加载和边界条件后图方案A：完全采用实体建模，并进行有限元仿真选取两种实体单元对比模拟，仿真结果的应力图和Y向位移图见下，整体布种5mm，厚度方向两个单元。

图3C3D20R单元模拟结果应力图图4C3D8R单元模拟结果应力图图5 C3D20R单元Y向位移图图6 C3D8R单元Y向位移图C3D20R：最大应力为1326MPa，Y向最大位移为4.85mm。

下面采用单独壳单元进行模拟，实体模型仿真主要是为了给壳单元提供一个对比参考，如果壳单元Tie计算结果与实体模型基本一致，就证明壳单元的Tie 运算结果可靠。

方案B：采用壳单元，每个片体在UG里面并未缝合先单独为每个片体划分网格，连接边处的节点并未重合，通过Tie连接各相交边。

这样做的好处是可以为每个片体单独划分网格，大大降低了划分网格的难度，节约大量时间，可以提高工作效率，各片体网格不相关联，通过Tie 建立各片体的焊接关系。

图7 各相交边Tie 后有限元模型仿真结果的应力图和Y向位移图见下图8 壳单元中面不偏置tie 连接应力图图9 壳单元中面不偏tie连接Y向位移图最大应力为1209MPa，Y向最大位移为4.55mm。

与方案A中比较，最大应力减小8.8%，Y向最大位移减小6%，可认为该方案对于这个模型适用，存在少量误差。

图10 修改边界条件后有限元模型二、改变模型的边界条件和载荷再次进行实体和tie 连接的对比模拟，2MPa压力加在侧面，见图10。

实体单元C3D20R和壳单元中面不偏置仿真结果的应力和Y向位移图见下。

图11 C3D20R单元—应力图图12 C3D20R单元—Y向位移图图13 壳单元中面不偏置tie 连接应力图图14 壳单元中面不偏tie连接Y向位移图壳单元与实体单元最大应力完全一致，Y向最大位移壳单元大了2.3%，对于该边界条件和载荷，认为壳单元tie 连接等效于实体C3D20R的仿真结果。