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ANSYS中不同单元之间的连接问题

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1 / 10 总结一下不同单元之间的连接问题

常有人问不同单元之间的连接问题，我自己也一直被这个问题所困绕，最近从ANSYS工程分析进阶实例上知道了ANSYS中不同单元之间的连接原那么。感觉收收获不小，现把它上传与大家共享。

一般来说，按“杆梁壳体〞单元顺序，只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度，那么只要有公共节点即可，不需要约束方程，否那么需要耦合自由度与约事方程。例如：

〔1〕杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。

〔2〕梁与壳有公共节点怒可，也不需要约束写约束方程；壳梁自由度数目一样，自由度也一样，尽管壳的rotz是 虚的自由度，也不妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。

〔3〕梁与体那么要在一样位置建立不同的节点 ，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

〔4〕壳与体那么也要一样位置建立不同的节点 ，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

例如：

杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。

梁与壳有公共节点即可，也不需要约束写约束方程；壳梁自由度数目一样，自由度也一样，尽管壳的rotz是虚的自由度，也不 . . . . .

2 / 10 妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。

梁与体那么要在一样位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

壳与体那么也要一样位置建立不同的节点 ，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

举例：

有一长为100mm的矩形截面梁，截面为10X1mm，与一规格为20mmX7mmX10mm的实体连接，约束实体的端面，在梁端施加大小为3N的y方向的压力，梁与实体都为一材料，弹性模量为30Gpa，泊松比为0.3。本例主要讲解梁与实体连接处如何利用耦合与约束方程进展处理。

命令流如下：

FINI

/CLE

/FILNAME,BEAM_AND_SOLID_ELEMENTS_CONNECTION !定义工作文件名

/TITLE,COUPLE_AND_CONSTRAINT_EQUATION !定义工作名

/PREP7

ET,1,SOLID95 !定义实体单元类型为SOLID95 . . . . .

3 / 10 ET,2,BEAM4 !定义梁单元类型为BEAM4

MP,EX,1,3E4 !定义材料的弹性模量

MP,PRXY,1,0.3 !定义泊松比

R,1 !定义实体单元实常数

R,2,10.0,10/12.0,1000/12.0,10.0,1.0 !定义梁单元实常数

BLC4,,,20,7,10 !创建矩形块为实体模型

WPOFFS,0,3.5 !将工作平面向Y方向移动3.5

WPROTA,0,90 !将工作平面绕X轴旋转90度

VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开

WPOFFS,0,5 !将工作平面向Y方向移动5

WPROTA,0,90 !将工作平面绕X轴旋转90度

VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开

WPCSYS,-1 !将工作平面设为与总体笛卡儿坐标一致

K,100,20,3.5,5 !创建关键点

K,101,120,3.5,5 !创建关键点

L,100,101 !连接关键点生成梁的线实体

LSEL,S,LOC,X,21,130 !选择梁线

LATT,1,2,2 !指定梁的单元属性 . . . . .

4 / 10 LESIZE,ALL,,,10 !指定梁上的单元份数

LMESH,ALL !划分梁单元

VSEL,ALL !选择所有实体

VATT,1,1,1 !设置实体的单元属性

ESIZE,1 !指定实体单元尺寸

MSHAPE,0,2D !设置实体单元为2D

MSHKEY,1 !设置为映射网格划分方法

VMESH,ALL !划分实体单元

ALLS !全选

FINI !退出前处理

/SOLU !进入求解器

ASEL,S,LOC,X,0 !选择实体的端面

DA,ALL,ALL !约束实体端面

ALLS !全选

FK,101,FY,-3.0 !在两端施加Y向压力

CP,1,UX,1,21 !耦合节点1和节点21X方向自由度

CP,2,UY,1,21 !耦合节点1和节点21Y方向自由度

CP,3,UZ,1,21 !耦合节点1和节点21Z方向自由度 . . . . .

5 / 10 CE,1,0,626,UX,1,2328,UX,-1,1,ROTY,-ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !设置约束方程

CE,2,0,67,UX,1,4283,UX,-1,1,ROTZ,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束方程

CE,3,0,67,UZ,1,4283,UZ,-1,1,ROTX,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束方程

ALLS !全选

SOLVE !保存

FINI !退出求解器

/POST1 !进入通用后处理

PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !显示Y方向位移

PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !显示等效应力

ETABLE,ZL1,SMISC,1 !读取梁单元上I节点X方向的力

ETABLE,ZL2,SMISC,7 !读取梁单元上J节点X方向的力

ETABLE,MZ1,SMISC,6 !读取梁单元上I节点Z方向的力矩

ETABLE,MZ2,SMISC,12 !读取梁单元上J节点Z方向的力矩

PLETAB,ZL1 !显示梁单元X方向的力

PLETAB,MZ1 !显示梁单元Z方向力矩 . . . . .

6 / 10 上面所述的不同单元之间的接连方法主要是用耦合自由度和约束方程来实现的，有一定的局限性，只适用于小位移，下面介绍一种支持大位移算法的方法，MPC法。

MPC即Multipoint Constraint,多点约束方程，其原理与前面所说的方程的技术几乎一致，将不连续、自由度不协调的单元网格连接起来，不需要连接边界上的节点完全一一对应。

MPC能够连接的模型一般有以下几种。

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，实现上述MPC技术有三种途径。

〔1〕通过MPC184单元定义模型的刚性或者二力杆连接关系。定义MPC184单元模型与定义杆的操作完全一致，而MPC单元的作用可以是刚性杆〔三个自由度的连接关系〕或者刚性梁〔六个自由度的连接关系〕。

〔2〕利用约束方程菜单路径Main

Menu>preprocessor>Coupling/Ceqn>shell/solid Interface创建壳与实体模型之间的装配关系。

〔3〕利用ANSYS接触向导功能定义模型之间的装配关系。选择 . . . . .

7 / 10 菜单路径Main Menu>preprocessor>Modeling>Creat>Contact

Pair，弹出一序列的接触向导对话框，按照提示进展操作，在创建接触对前，单击Optional setting按钮弹出Contact

properties对话框，将Basic选项卡中的Contact algorithm即接触算法设置为MPC algorithm。或者，在定义完接触对后，再将接触算法修改为MPC algorithm，就相当于定义MPC多点约束关系进展多点约束算法。

单元类型的选择问题

初学ANSYS的人，通常会被ANSYS所提供的众多纷繁复杂的单元类型弄花了眼，如何选择正确的单元类型，也是新手学习时很头疼的问题。

单元类型的选择，跟你要解决的问题本身密切相关。在选择单元类型前，首先你要对问题本身有非常明确的认识，然后，对于每一种单元类型，每个节点有多少个自由度，它包含哪些特性，能够在哪些条件下使用，在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。

1.该选杆单元〔Link〕还是梁单元(Beam)？

这个比拟容易理解。杆单元只能承受沿着杆件方向的拉力或者压力，杆单元不能承受弯矩，这是杆单元的根本特点。 . . . . .

8 / 10 梁单元那么既可以承受拉，压，还可以承受弯矩。如果你的结构中要承受弯矩，肯定不能选杆单元。

对于梁单元，常用的有beam3,beam4,beam188这三种，他们的区别在于：

1)beam3是2D的梁单元，只能解决2维的问题。

2)beam4是3D的梁单元，可以解决3维的空间梁问题。

3)beam188是3D梁单元，可以根据需要自定义梁的截面形状。

2.对于薄壁结构，是选实体单元还是壳单元？

对于薄壁结构，最好是选用shell单元，shell单元可以减少计算量，如果你非要用实体单元，也是可以的，但是这样计算量就大大增加了。而且，如果选实体单元，薄壁结构承受弯矩的时候，如果在厚度方向的单元层数太少，有时候计算结果误差比拟大，反而不如shell单元计算准确。

实际工程中常用的shell单元有shell63,shell93。shell63是四节点的shell单元(可以退化为三角形)，shell93是带中间节点的四边形shell单元(可以退化为三角形),shell93单元由于带有中间节点，计算精度比shell63更高，但是由于节点数目比shell63多，计算量会增大。对于一般的问题，选用shell63就足够了。

除了shell63,shell93之外，还有很多其他的shell单元，譬如shell91,shell131，shell163等等，这些单元有的是用于多层铺层材料的，有的是用于结构显示动力学分析的，一 . . . . .

9 / 10 般新手很少涉与到。通常情况下，shell63单元就够用了。

3.实体单元的选择。

实体单元类型也比拟多，实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型。

常用的实体单元类型有solid45, solid92,solid185,solid187这几种。

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ANSYS各类型单元连接专题讲解(一)之连接总则

ANSYS各类型单元连接专题讲解(一)之连接总则

ANSYS各类型单元连接专题讲解（一）之连接总则

一直以来，有不少同学咨询水哥关于ANSYS中杆单元、梁单元、壳单元、实体单元的连接问题。之所以要用到各单元的连接，主要是由于我们在实际项目中，常常需要各种单元组合模拟，例如框架结构计算中的框架柱、框架梁采用梁单元模拟，楼板采用壳单元模拟，如此便会产生各类型单元之间的连接问题。 为解决部分朋友们的疑问，水哥依自己的理解将从以下几个方面系统讲解下ANSYS中杆单元、梁单元、壳单元、实体单元的连接，其中若有不合理之处，还望各位朋友批评指正。本系列讲解目录如下： 1、单元连接总原则。 2、杆与梁、壳、体单元的连接。 3、梁单元与实体单元铰接。 4、2D梁单元与2D实体单元刚接。 5、3D梁单元与3D实体单元刚接。 6、壳单元与实体单元连接。 7、单元连接综合实例。 本篇推文为该系列文章的首篇，主要说下ANSYS中单元连接总的原则以及简单介绍两个概念。 一般来说，按“杆梁壳体”单元顺序，只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度，则只要有公共节点即可，不需要约束方程，否则需要耦合自由度与约束方程。例如：（1）杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。

（2）梁与壳有公共节点即可，也不需要约束写约束方程；壳梁自由度数目相同，自由度也相同，尽管壳的rotz是虚的自由度，也不妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。

（3）梁与体则要在相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

（4）壳与体则也要相同位置建立不同的节点 ，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。 从上述也可见，ANSYS无非是通过三种方法来实现单元之间的连接：共用节点、耦合、约束方程。 这里简单介绍下耦合与约束方程的基本概念。

一、耦合 所谓耦合，其实是一种比较特殊的约束方程，只不过为了区别于普通一般的约束方程，方便用户操作，特定提出来的一个概念。他具体指当我们需要迫使两个或多个自由度取得相同值（值未知）时，可以将这类自由耦合在一起。 耦合自由度集包含一个主自由度和一个或多个其它自由度。耦合只将主自由度保存在分析的矩阵方程里，而将耦合集内的其它自由度删除。计算的主自由度值将分配到耦合集内的所有其它自由度中去。

基于ANSYS Workbench螺栓连接不同建模方法的有限元分析

基于ANSYS Workbench螺栓连接不同建模方法的有限元分析

基于ANSYS Workbench螺栓连接不同建模方法的有限元分析

王丽

【摘 要】螺栓连接是机械工程中常见的连接方式,然而在不同的行业、不同的研究问题以及不同的工况下处理螺栓连接所使用的建模方法也有所不同.不同建模方法是否会对机械组件的计算结果产生较大的影响、不同建模方法的特点、不同建模方法的适用场合、目前最主要的螺栓连接的建模方法等等问题,文章将以一个简单的例子予以回答,旨在为实际工程中螺栓连接问题的处理提供参考.

【期刊名称】《汽车实用技术》

【年(卷),期】2019(000)008

【总页数】4页(P126-129)

【关键词】螺栓连接;建模方法;有限元分析;ANSYS Workbench软件

【作 者】王丽

【作者单位】陕西工业职业技术学院,陕西咸阳712000

【正文语种】中 文

【中图分类】TS103.3

螺栓连接是机械设计及工程问题中常见的紧固连接方式，几乎所有的设备上都能用到螺栓连接。通常，在连接螺栓的强度设计和校核中，根据螺栓受到的外载，计算螺栓预紧力，再根据不同工况下的计算公式进行强度计算，如静载荷与动载荷的分析计算。有限元分析方法是通过分析螺栓连接的整体装配模型，获得螺栓外载，再通过手工计算进行螺栓连接的设计。

然而，螺栓连接的行为相当复杂。典型的螺栓连接受限于各种因素的影响，从初始预紧到最后的螺栓变化载荷，需要考虑的参数组合相当令人困惑，尤其是还要考虑螺栓连接的失效。因此准确地构造螺栓连接特征就显得尤为重要[1-2]。

基于不同的螺栓连接设计需求，有限元分析中对分析模型的处理方式也不同。下面给出了螺栓连接4种建模方法的数值模拟过程，并加以讨论。

（1）螺栓不参与建模，零件之间的连接使用绑定接触，无螺栓预紧力。

（2）螺栓连接采用梁单元建模，此处采用两种方式：梁连接无螺栓预紧力；线体模型的梁单元包含螺栓预紧力及连接面之间的摩擦接触。

（3）螺栓连接使用实体单元，不包含螺纹接触，包含螺栓预紧力及摩擦接触。

ANSYS中杆单元和壳单元的单元耦合问题

ANSYS中杆单元和壳单元的单元耦合问题

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1 ANSYS中杆单元和壳单元的单元耦合问题

在比较复杂的结构的有限元分析中，不同的结构部件通常使用不同类型的单元来模拟。

通常情况下，不同类型的单元的各个节点的自由度数目是不同的，不同类型单元的连接节点处的自由度的耦合问题，是一个比较令人头疼的问题。

在ANSYS中通常可以用耦合命令CP来耦合不同类型单元在连接节点处的自由度(DOF)。

也可以用CE命令来认为添加自由度之间的约束方程来达到耦合的目的。

下面是一个简单的算例，使用了CE命令来耦合连接节点处的自由度。

模型是航天器的机翼的一个Section的某一个隔框。上下表皮是薄壳结构，用Shell63单元来模拟，在上下表皮之间有起支撑作用的杆件，用link8单元来模拟。

建模的时候，link8单元和shell63单元在连接有各自独立的节点。即：link8单元和shell63单元的节点在连接处是重合的，但是，节点编号是各自独立的。

link8单元在每个节点有 ux,uy,uz3个平动自由度；

shell63在每个节点有ux,uy,uz这3个平动自由度和rotx,roty,rotz这3个转个自由，共6个自由度。

在耦合节点处，两个耦合节点的ux,uy,uz自由度应该是相等的。

这个等式可以用CE命令来描述。

完整的命令流如下：

finish

/clear,start

/prep7

!定义第一种材料属性；

mp,ex,1,30e6

mp,prxy,1,0.3

!定义shell63单元和实常数；

et,1,shell63

r,1,1e-3

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2 !建立几何模型；

rectng,31.8,33.2,0,0.3556

agen,2,1,1,1,0,0,1

a,1,4,8,5

a,6,7,3,2

KL,7,0.5, ,

KL,3,0.5, ,

ANSYS中壳与实体单元连接技术应用

ANSYS中壳与实体单元连接技术应用

・１１０・　价值工程　

ＡＮＳＹＳ中壳与实体单元连接技术应用　Ｅｍｐｌｏｙ　ｏｆ　Ｓｈｅｌｌ－Ｓｏｌｉｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ＡＮＳＹＳ　马云飞ＭＡ　Ｙｕｎ—ｆｅｉ　（上海核工程研究设计院，上海２００２３３）　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２３３，Ｃｈｉｎａ）　摘要：在ＡＮＳＹＳ有限元分析中经常会同时使用实体单元与壳单元以满足对结构不同部位的分析要求，这就存在壳与实体单元　连接时自由度不匹配的问题。本文通过一个悬臂梁模型，采用几种不同的连接方法进行计算和分析比较，得到了相应结论并给出了几　种连接方法的使用建议。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｌｉｄ　ａｎｄ　ｓｈｅｌｌ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｏｆｔｅｎ　ｕｓｅｄ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｉｎ　ＡＮＳＹＳ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐａｎｓ．Ａｎ　ｉｓｓｕｅ　ｗｉｌｌ　ｒｉｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｆｒｅｅｄｏｍ　ｏｆ　ｓｈｅｌｌ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｄｏｅｓｎ２　ｍａｔｃｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｅｌｅｍｅｎｔ．Ａ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｌｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ，ｓｏｍｅ　ｐｒｏｐｏｓａｌｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅｓｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｌｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　关键词：ＡＮＳＹＳ；壳实体连接；ＭＰＣ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ；Ｓｈｅｌｌ－Ｓｏｌｉｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ＭＰＣ　中图分类号：ＴＰ３９１．７　文献标识码：Ａ