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在ANSYS中选择合适的单元类型

作者:管理员    发布于:2019-11-13 05:37:19    文字:【】【】【

通常被 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) 

这个比较容易理解。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,这是杆单元的基本特点。梁单元则既可以承受拉,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  2D 的梁单元,只能解决 2 维的问题。

2)beam4  3D 的梁单元,可以解决 3 维的空间梁问题。

3)beam188  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较大,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,一般新手很少涉及到。通常情况下, shell63 单元就够用了。

3. 实体单元的选择。

实体单元类型也比较多,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。其中把 solid45,solid185 可以归为第一类,他们都是六面体单元,都可以退化为四面体和棱柱体,单元的主要功能基本相同 ,(SOLID185 还可以用于不可压缩超弹性材料 )  Solid92, solid187 可以归为第二类,他们都是带中间节点的四面体单元,单元的主要功能基本相同。

实际选用单元类型的时候,到底是选择第一类还是选择第二类呢?也就是到底是选用六面体还是带中间节点的四面体呢?如果所分析的结构比较简单,可以很方便的全部划分为六面体单元,或者绝大部分是六面体,只含有少量四面体和棱柱体,此时,应该选用第一类单元,也就是选用六面体单元;如果所分析的结构比较复杂,难以划分出六面体,应该选用第二类单元,也就是带中间节点的四面体单元。

最容易犯的一个错误就是选用了第一类单元类型 ( 六面体单元 ) ,但是,在划分网格的时候,由于结构比较复杂,六面体划分不出来,单元全部被划分成了四面体,也就是退化的六面体单元,这种情况,计算出来的结果的精度是非常糟糕的,有时候即使你把单元划分的很细,计算精度也很差,这种情况是绝对要避免的。

六面体单元和带中间节点的四面体单元的计算精度都是很高的,他们的区别在于:一个六面体单元只有 8 个节点,计算规模小,但是复杂的结构很难划分出好的六面体单元,带中间节点的四面体单元恰好相反,不管结构多么复杂,总能轻易地划分出四面体,但是,由于每个单元有 10 个节点,总节点数比较多,计算量会增大很多。

前面把常用的实体单元类型归为 2 类了,对于同一类型中的单元,应该选哪一种呢?通常情况下,同一个类型中,各种不同的单元,计算精度几乎没有什么明显的差别。选取的基本原则是优先选用编号高的单元。比如第一类中,应该优先选用 solid185 。第二类里面应该优先选用 solid187  ANSYS 的单元类型是在不断发展和改进的,同样功能的单元,编号大的往往意味着在某些方面有优化或者增强。

对于实体单元,总结起来就一句话:复杂的结构用带中间节点的四面体,优选 solid187 ,简单的结构用六面体单元,优选 solid185

2.1 规划的重要性

当开始建模时,用户将(有意地或无意地)作许多决定以确定如何来对物理系统进行数值模拟;分析的目标是什么?模型是全部或仅是物理系统的部分?模型将包含多少细节?选用什么样的单元?有限元网格用多大的密度?总之,你将对要回答的问题的计算费用( CPU 时间等)及结果的精度进行平衡考虑。你在规划阶段作出的这些决定将大体上控制你分析的成功与否。

2.2 确定分析目标

确定分析目标的工作与 ANSYS 程序的功能无关,完全取决于用户的知识、经验及职业技能,只有用户才能确定自己的分析目标,开始时建立的目标将影响用户生成模型时的其它选择。

2.3 选择模型类型(二维、三维等)

有限元模型可分为二维和三维两种。可以由点单元、线单元、面单元或实体单元组成,当然,也可以将不同类型的单元混合使用(注意要保证自由度的相容性)。   例如,带筋的薄壳结构可用三维壳单元离散蒙皮,用三维梁单元来离散蒙皮下的筋。对模型的尺寸和单元类型的选择也就决定生成模型的方法。

线模型代表二维和三维梁或管结构,及三维轴对称壳结构的二维模型。实体建模通常不便于生成线模型,而通常由直接生成方法创建。

二维实体模型在薄平板结构(平面应力),等截面的无限长结构(平面应变)或轴对称实体结构。尽管许多二维分析模型用直接生成方法并不困难,但通常用实体建模更容易。

三维壳模型用于描述三维空间中的薄壁结构,尽管某些三维壳模型用直接生成方法创建并不困难,但用实体建模方法通常会更容易。

三维实体分析模型用于描述三维空间中截面积不等,也不是轴对称的厚结构。用直接生成的方法建立三维实体模型较复杂,实体建模会使其变得容易些。

2.4 线性和高次单元的选择

ANSYS 程序的单元库包括两种基本类型的面和体单元:线性单元(有或无特殊形状的)和二次单元。

2.4.1 线性单元(无中间节点)

对结构分析,带有附加形函数的角点单元会在合理的计算时间内得到准确的结果。当使用这些单元时,要注意防止在关键区域的退化形式。即避免在结果梯度很大或其它关注的区域使用二维三角形单元和楔形或四面体形的三维线单元。还应避免使用过于扭曲的线性单元,对于非线性结构分析,如果使用线性单元细致地而不是用二次单元相对粗糙的进行网格划分,那么将以很少的花费获得很好的精度。

当对弯曲壳体建模时,必须选用弯曲的(二次的)或平面(线性)的壳单元,每种选择都有其优缺点,对于多数的实际情况,主要问题利用平面单元以很少的计算时间,即可获得很高精度的结果。但是,必须保证使用足够多的平面单元来创建曲面。明显地,单元越小,准确性越好。推荐三维平面壳单元延伸不要超过 15 度的弧,圆锥壳(轴对称线)单元应限制在 10 度的弧以内(或离 Y  5 度)。

对多数非结构分析(热、电磁等),线性单元几乎与高次单元有同样好的结果,而且求解费用较低。退化单元(三角形和四面体)通常在非结构分析中产生准确结果。

2.4.2  二次单元(带中间节点)

对于用退化的单元形式进行的结构分析(即二维三角形单元和楔形或三维四面体单元),二次单元通常会以比线性单元的求解费用更低且产生良好的结果。可是,为正确地使用这些单元,需要注意它们的特殊的

性质:

·   对于分布载荷和面压力不象线性单元按一般意义上分配到单元节点上(见图 2  3 ),单元的中间节点对反力也表现出相同的非直观的解释。

·   三维带中间节点的热流单元在承受对流载荷时按固定模式分配热流,在中间节点沿一个方向流动而在角点又沿另外方向的流动。

·   对于结构单元,中点节点的温度如果在两相邻角点温度范围之外则要重新定义为这两角点的平均温度。

·   由于中间节点的质量也大于角节点的质点,所以通常将中间节点选为主自由度(对于减缩自由度分析)。

·   由于质量分配不均匀,在动力分析中感兴趣的波传波技术不推荐使用带中间节点的单元。

·   不要在有中间节点 (CONTAC12, COMBIN40, CONTAC48, CONTAC49, and CONTAC52) 的边定义节点为基础的接触单元,也不要将间隙单元与带中间节点的边连接。类似地,对热问题,不要应用辐射连接或非线性对流表面到带有中间节点的边。节点为基础的接触要同有中间节点的表面接触,中间节点应该去掉。对面

对面接触单元不用担心( TARGE169, TARGE170, CONTA171, CONTA172, CONTA173, and CONTA174 )。划分实体模型时提供了一些方法忽略一些中间节点。

·   当约束一个单元(或表面)的边缘自由度,包括中间节点在内的边缘上所有的节点都要约束。

·   单元的角点只能与单元的角点相连,而不能与相邻单元的中间节点相连。相邻的单元应该有相连(或共同的)中间节点

·   对于有中间节点的单元,通常希望每一个这样的中间节点在相应角点之间连线的中点位置,可是,有时却希望出现在其它地方:

节点沿着弯曲的几何边界通常可产生更准确的分析结果所有的 ANSYS 网格划分器缺省地将它们放在那里。

有的内边界也不得不弯曲以防止单元倒置或过于扭曲, ANSYS 网格划分器有时也产生这种弯曲。

用带有故意将中间节点偏离中心四分之一点可以模拟裂纹尖端的奇异性,利用 ANSYS KSCON 命令可以产生这种特殊的面网格。( Main Menu>reprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Concentrat KPs-Create 

·   中间节点位置可由下面描述的单元形状测试进行检查。

除三节点三角形和四节点四面体外的所有实体和壳单元都要进行实三维空间与单元本身的自然坐标空间一致性映射的测试。雅可比比值过大表明单元过于扭曲,可能是由中间节点的位置设置不当引起的。

·   如果不给中间节点指定位置,程序会自动按线性笛卡尔坐标插值将中间节点放在两角点的中间,按此法放置的节点的节点坐标系旋转角度也是按线性插值得到。

·   在相连单元的公共边应有相同的节点数,当混合单元类型时有必要从一个单元去除中间节点。

注意  程序在下列情况会自动地将线性和二次单元共同一侧的中间节点去掉:一个面(或体)用线性单元划分网格〔 AMESH  VMESH  FVMESH 〕,然后相邻面(或体)用二次单元划分网格。如果网格划分的次序颠倒了,中间点节则不能去掉(先分二次单元,后分线性单元)。

·   去掉了中间节点意味着边缘仍保持直的,相应地导致刚度增加,建议只在过渡区域使用去掉中间节点的单元,而不在增加了形函数的简化线单元处使用。如果需要,那么在产生单元之后可利用下列命令增加

或去掉中间节点:

命令: EMID

GUI : Main Menu>reprocessor>Move / Modify>Add Mid Nodes

Main Menu>reprocessor>Move / Modify>Remove Mid Nd

命令: EMODIF

GUI : Main Menu>reprocessor>Move / Modify>Modify Nodes

·   二次单元并不比线性单元的积分点多。因此,在非线性分析中优先使用线性单元。

·   诸如平面 PLANE82  SHELL93 的高阶四边形单元的一种网格可由于零变形能而产生奇异。

·   对后处程序只用截面的角点和隐藏线显示,类似地,节点应力结果的输出和后处理只能对角节点进行。

·   在图形显示时,曲边形的中间节点单元显示为直线段(除非使用 Powergaphics )模型因此看起来比实际的要粗糙些。

 
 
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