【正文】 June 3, 1996 1 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，角鋼或者狹長薄膜構(gòu)件 (只有膜應力和彎應力的情況 )等模型。 – Spar (桿 )單元是用于彈簧，螺桿，預應力螺桿和薄膜桁架等模型 。 – Spring 單元是用于彈簧，螺桿，或細長構(gòu)件，或 通過剛度等效替代復雜結(jié)構(gòu)等模型 。 June 3, 1996 2 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 )單元用于薄面板或曲面模型。 殼單元分析應用的基本原則是每塊面板的主尺寸不低于其厚度的 10倍。 準則 June 3, 1996 3 高效率建模方法 單元種類 (續(xù) ) 主要單元類型舉例 ? XY 平面單元 : 在整體笛卡爾 XY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力、平面應變 、 軸對稱、和 /或者諧結(jié)構(gòu)特性。 平面應力或應變 : O K N J M P L I I J K,L,O P N M Triangular Option Y (or Axial) X (or Radial) June 3, 1996 4 高效率建模方法 單元種類 (續(xù) ) 主要單元類型舉例 – 平面應力 假定在 Z方向上的應力為零，主要有以下特點： ?當 Z方向上的幾何尺寸遠遠小于 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方向上存在應變。 ?運動只在 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、承受壓力或遠離中心載荷的薄圓盤等結(jié)構(gòu)。 June 3, 1996 5 高效率建模方法 單元種類 (續(xù) ) 主要單元類型舉例 – 平面應變 假定在 Z方向的應變?yōu)榱?，主要具有以下特點： ?當 Z方向上的幾何尺寸遠遠大于 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方向上存在應力。 ?運動只在 XY平面內(nèi)發(fā)生。 平面應變分析 是用于分析那種一個方向的尺寸（指定為總體 Z方向）遠遠大于其它兩個方向的尺寸，并且垂直于 Z軸的橫截面是不變的。 June 3, 1996 6 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 X 坐標。 ?Y 方向是軸向， X方向是徑向， Z方向是周向 (hoop) 。 ?周向位移是零；周向應變和應力十分明顯。 ?只能承受軸向載荷（所有載荷）。 Hoop June 3, 1996 7 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)的每一部分獨立進行求解，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于傅立葉級數(shù)的第 1和第2項。這種簡化處理本身不具有任何近似性！ 單元坐標系 (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 Option y x N Y (Axial) X (Radial) June 3, 1996 8 高效率建模方法 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)的一項施加到軸上 。 這時，除了扭矩外，事實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)的其它兩項施加到軸上 。 諧單元還可以用于實際當中的任意循環(huán)分布載荷 ， 這可能需要分解成 50100項傅立葉級數(shù)才能得到滿意的結(jié)果。 M V T June 3, 1996 9 高效率建模方法 單元種類 (續(xù) ) 主要單元類型舉例 ? 三維實體單元 : – 用于那些由于幾何、材料、載荷或分析結(jié)果要求考慮的細節(jié)等原因造成無法采用更簡單單元進行建模的結(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。 K R L Q O P M N J I X Y Z Tetrahedron mesh Brick mesh June 3, 1996 10 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 : – 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和經(jīng)驗 。 J I GAP M or M/2 C X Y Z FSLIDE K1 K2 M or M/2 June 3, 1996 11 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、三維殼或者三維實體單元，還需要進一步?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 ”， 而高階單元還存在 “ 中節(jié)點 ”。 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 )單個單元上的應力狀態(tài)是不變的。 – 二次單元內(nèi) 的位移是二階變化的，因此單個單元上的應力狀態(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控制功能，自動各位置上分析應當采用的階數(shù) 。 June 3, 1996 12 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， 由于模型表面單元的彎曲程度過大，使部分中節(jié)點偏離了自身位置 ， 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劃分網(wǎng)格 (降低了實際幾何模型的精度 ， 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)點的更高階單元劃分單元網(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 。 June 3, 1996 13 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)點的單元連起來 ( 僅對于節(jié)點 節(jié)點和節(jié)點 面接觸單元而言 對于面 面接觸單元則是允許的 )。 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)點的單元上 。 (ANSYS 提供了多種劃分必須忽略中節(jié)點的單元網(wǎng)格的方法 )。 (不建議 ) (建議 ) – 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。 June 3, 1996 14 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)格的理由是相當少的。給面進行單元網(wǎng)格劃分的實質(zhì)問題是，你是否允許模型中存在一些三角形單元網(wǎng)格。實際上，各處存在三角形單元會相當麻煩，但是應當仔細思考下列問題 : – 如果采用更高階單元，三角形單元的計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 。 June 3, 1996 15 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) ): 建立三維實體模型需要作出下列選擇： – 使用四面體單元劃分網(wǎng)格 ? 采用簡便方法建立實體模型 。 ? 選用二次單元或者 p單元。 或 者 – 使用塊單元劃分單元網(wǎng)格 ?選用塊單元網(wǎng)格建立實體模型 。 通常需要花費更多時間和精力。 ? 劃分子區(qū)域 ? 連接處理 ? 延伸 ? 采用任何塊單元。