ANSYS与结构分析

所以，作者强烈推荐使用命令流方式进行操作！本书将以命令流文件为主进行介绍，而对于GUI方式稍加介绍。因此，本书可能对于初学者而言初始略有困难，但很快会从中受益。

1.1.6 ANSYS软件的产品系列

近几年来，ANSYS软件发展迅速，在国内使用的有4.3、5.6、5.7、6.0、6.1、7.0、8.0、8.1等版本。伴随着版本软件的升级，ANSYS已开发出适应不同用途、不同工作环境和学科的产品系列，主要有如下产品：

·ANSYS/PrepPost—前后处理子系统； ·ANSYS/Structural—结构分析子系统； ·ANSYS/Thermal—温度场子系统；

·ANSYS/FLOTRAN—流场分析子系统；

·ANSYS/LS-DYAN—显示非线性瞬态动力分析子系统； ·ANSYS/Connection—和CAD软件的接口模块； ·ANSYS/CADfix—高级通用图形接口模块； ·ANSYS/CivilFEM—土木工程分析专用模块； ·ANSYS/CFX—流体动力分析子系统； ·DYNAFORM—板成形仿真专用模块；

·ANSYS/Linflow—气弹和颤振分析专用模块； ·ANSYS/ParaMesh—参数化变形工具；

·ANSYS/FE Modeler—有限元模型解读模块； ·PE-Safe—结构疲劳耐久性分析专用模块； ·AINASTRAN—新一代动力分析系统； ·DesignSpace—智能化设计工具；

·DesignXPloere VT—多目标快速优化模块； ·Drop Test—跌落仿真专用模块；

·Virtual.Motion—机构动力学分析专用模块； ·Workbeach—协同仿真环境。

1.2 ANSYS结构分析单元功能与特性

ANSYS大多数单元为结构单元，可根据分析目的选择不同的单元类型，表1-3为结构分析单元概要。

结构分析单元 表1-2 类别 杆单元 梁单元 管单元 2D实体单元 3D实体单元 单元名称 LINK1，LINK8，LINK10，LINK11，LINK180 BEAM3，BEAM4，BEAM23，BEAM24，BEAM44，BEAM54，BEAM188，BEAM189 PIPE16，PIPE17，PIPE18，PIPE20，PIPE59，PIPE60 PLANE2，PLANE25，PLANE42，PLANE82，PLANE83，PLANE145，PLANE146，PLANE182，PLANE183 SOLID45，SOLID46，SOLID64，SOLID65，SOLID72，SOLID73，SOLID92，SOLID95，SOLID147，SOLID148，SOLID185，SOLID186，SOLID187，SOLID191 SHELL28，SHELL41，SHELL43，SHELL51，SHELL61，SHELL63，SHELL91，SHELL93，SHELL99，SHELL143，SHELL150，SHELL181，5

壳单元

SHELL208，SHELL209 弹簧单元 质量单元 接触单元 矩阵单元 表面效应单元 黏弹实体单元 超弹实体单元 耦合场单元 SOLID5,PLANE13,FLUID29,FLUID30,FLUID38,SOLID62,FLUID79,FLUID80,FLUID81,SOLID98,FLUID129,INFIN110,INFIN111,FLUID116,FLUID130 INTER192,INTER193,INTER194,INTER195 LINK160,BEAM161,PLANE162,SHELL163,SOLID164,COMBI165,MASS166,LINK167,SOLID168 HYPER56，HYPER58，HYPER74，HYPER84，HYPER86，HYPER158 VISCO88，VISCO89，VISCO106，VISCO107，VISCO108 COMBIN7，COMBIN14，COMBIN37，COMBIN39，COMBIN40 MASS21 CONTAC12，CONTAC52，TARGE169，TARGE170，CONTAC171，CONTAC172，CONTAC173，CONTAC174，CONTAC175，CONTAC178 MATRIX27，MATRIX50 SUPF153，SUPF154 界面单元 显示动力分析单元 1.2.1 杆单元

杆单元适用于模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。该类单元只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点只有平动自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、大转动、大挠曲（也称大变形）、大应变（也称有限应变）、应力刚化（也称几何刚度、初始应力刚度等）等功能，表1-4是该类单元较详细的特性。

杆单元特性 表1-4 单元名称 LINK1 LINK8 LINK10 LINK11 LINK180 简称 2D杆 3D杆 3D仅受拉 或仅受压杆 3D线性调节器 3D有限应变杆 节点数 2 节点自由度 UX,UY UX,UY,UZ特性 EPCSDGB EPCSDGB EDGB 备注 常用单元 EGB 模拟缆索的松弛及间隙 模拟液压缸和大转动 另可考虑黏弹塑性 EPCDFGB 注：上表特征栏中的EPCSDFGBA为：E-弹性（Elasticity），P-塑性（Plasticity），C-蠕变（Creep），S-膨胀（Swelling），D-大变形或大挠度（Large deflection），F-大应变（Large strain）或有限应变（Finite strain），B-单元生死（Brith and dead），G-应力钢化（Stress stiffness）或几何刚度（Geometric stiffening），A-自适应下降（Adaptive descent）等。

单元使用应注意的其他问题：

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（1）杆单元均为均质直杆，面积和长度不能为零（LINK11无面积参数），仅承受杆端荷载，温度沿杆元长线性变化。杆元中的应力相同，可考虑初应变。

（2）LINK10属于非线性单元，需迭代求解。LINK11可作用线荷载，仅有集中质量方式。

（3）LINK180无实常数型初应变，但可输入初应力文件，可考虑附加质量；大变形分析时，横截面面积可以是变化的，即可为轴向伸长的函数或刚性的。

（4）通常用LINK1和LINK8模拟桁架结构，如屋架、网架、网壳、桁架桥、桅杆、塔架等结构以及吊桥的吊杆、拱桥的系杆等构件。必须注意线性静力分析时，结构不能使几何可变的，否则会造成位移超限的提示错误。LINK10可模拟绳索、地基弹簧、支座等，如斜拉桥的斜拉索、悬索、索网结构、缆风索、弹性地基、橡胶支座等。LINK180除不具备双线性特性（LINK10）外，它均可应用于上述结构中，并且其可应用的非线性性质更加广泛，还增加了黏弹塑性材料。

（5）LINK1、LINK8和LINK180单元还可用于普通钢筋和预应力钢筋的模拟，其初应变可作为施加预应力的方式之一。

1.2.2 梁单元

梁单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转的3D单元。该类单元有常用的2D/3D弹性梁元、塑性梁元、渐变不对称梁元、3D薄壁梁元及有限应变梁元。此类单元除BEAM189实为3节点外，其余均为2节点，但有些辅以另外的节点决定单元的方向，该类单元特性如表1-5所示。

梁单元特性 表1-5 单元名称 BEAM3 BEAM23 BEAM54 BEAM4 BEAM24 BEAM44 简称 2D弹性梁 2D塑性梁 2D渐变不对称梁 3D弹性梁 3D薄壁梁 节点数 2 2 2 2 2+1 2+1 UX,UY,UZ Rotx,Roty,Rotz节点自由度 UX,UY,Rotz 特性 EDGB EPCSDFGB EDGB EDGB EPCSDGB EDGB 备注 常用平面梁元 具有塑性等功能 不对称截面，可偏移中心轴 拉压弯扭，常用3D梁元 拉压弯及圣维南扭转，开口或闭口截面 拉压弯扭，不对称截面，可偏移中心轴，可释放节点自由度，可采用梁截面 3D渐变不对称梁 BEAM188 3D线性有限应变梁 2+1 TimoshenkoUX,UY,UZ 梁，计入剪切变形 EPCD影响，可增加翘曲Rotx,Roty,RotzFGB 自由度，可采用梁7

或增加warp BEAM189 3D二次有限应变梁 3+1 黏弹性 截面 同BEAM188，但属二次梁单元 单元使用应注意的其他问题：

（1）梁单元的面积和长度不能为零，且2D梁元必须位于XY平面内。 （2）剪切变形的影响：剪切变形将引起梁的附加挠度，并使原来垂直于中面的截面变形后不再和中面垂直，且发生翘曲（变形后截面不再是平面）。当梁的高度远小于跨度时，可忽略剪切变形的影响，但梁高相对于跨度不太小时，则要考虑剪切变形的影响。经典梁元基于变形前后垂直于中面的截面变形后仍保持垂直的kirchhoff假定，如当剪切变形系数为零时的BEAM3或BEAM4,。但在考虑剪切变形的梁弯曲理论中，仍假定原来垂直于中面的截面变形后仍保持平面（但不一定垂直），ANSYS的梁单元也均如此。考虑剪切变形影响可采用两种方法，即在经典梁元的基础上引入剪切变形系数（BEAM3/4/23/24/44/54）和

Timoshenko梁元（BEAM188/189）,前面的截面转角由挠度的一次导数导出，而后者则采用了挠度和截面转角各自独立的插值，这是两者的根本区别。

（3）自由度释放：梁元中能够利用自由度释放的单元是BEAM44单元，通过keyopt（7）和keyopt（8）设定释放I节点和J节点的各个自由度。但要注意模型中哪些单元使用自由度释放的BEAM44，而哪些为普通的BEAM44单元，否则可能造成几何可变体系。高版本中的BEAM188/189也可通过ENDRELEASE命令对自由度进行释放，如将刚性节点设为球铰等。

（4）梁截面特性：梁元中能够采用梁截面特性的单元有BEAM44和BEAM188/189三个单元，并且低版本中单元截面均为不变时才能

采用梁截面。BEAM44在不使用梁截面而输入实常数时可以采用变截面，且单元两节点的面积比或惯性矩比有一定要求。BEAM188/189在V8.0以上版本中可使用变截面的梁截面，可根据两个不同梁截面定义，且可以采用不同材料组成的梁截面，而BEAM44则不可。同时，BEAM188/189支持约束扭转，通过激活第七个自由度使用。

（5）BEAM23/24因具有多种特性，故实常数的输入比较复杂。BEAM23可输入矩形截面、薄壁圆管、圆杆和一般截面的几何尺寸来定义截面。BEAM24则通过一系列的矩形段来定义截面。

（6）荷载特性：梁单元大多支持单元跨间分布荷载、集中荷载和节点荷载，但BEAM188/189不支持跨间集中荷载和跨中部分分布荷载，仅支持在整个单元长度上分布的荷载。温度梯度可沿截面高度、单元长度线性变化。特别注意的是，梁单元的分布荷载是施加在单元上，而不是施加在几何线上，在求解时几何线上的分布荷载不能转化到有限元模型上。

（7）应力计算：对于输入实常数的梁元，其截面高度仅用于计算弯曲应力和热应力，并且假定其最外层纤维到中性轴的距离为梁高的一半。因此，关于水平轴不对称的截面，其应力计算是没有意义的。

1.2.3 管单元

管单元是一类轴向拉压、弯曲和扭转的3D单元，单元的每个节点均具有六个自由度，即三个平动自由度UX,UY,UZ和三个转动自由度Rotx，Roty，Rotz，

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