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1、ANSYS 建模过程中单元属性的定义张 萍（中国电子科技集团公司第39 研究所陕西 西安710065）摘要：单元属性的定义是有限元分析过程中的重要环节。本文详细论述了如何在 ANSYS 建模过程中准确定义单元属性， 从而使我们的有限元模型能更接近于实际系统。关键词 ：ANSYS ；单元类型；实常数；材料特性ANSYS 是一个完整的有限元分析（FEA ）软件包。有限元分析是一种模拟在确定的载荷条件下设计响应的方法，用称之为“单元”的离散体模拟设计，每一个单元都有确定的方程描述在一定载荷下的响应。这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似模拟具有无限未知量的实际系统的响应。如何准确定义模型的单元
2、属性，使这种近似模型能最逼近实体，是我们必须面对的问题。单元属性是 ANSYS 网格划分前必须指定的模型特性， 包括 3 部分： 单元类型、实常数、材料属性。1单元类型的确定单元类型决定单元的自由度设置（如：热单元有一个自由度， 而结构单元有6 个自由度）、单元形状（六面体，三角形等）、维数（二维或三维）、位移形函数（线形及二次函数） 。在 ANSYS 数据库中有超过 150 种的不同单元类型可供选择。首先，要确定单元的种类。经常采用的单元有壳单元、线单元、二维实体和三维实体。壳单元用来模拟平面或曲面， 其厚度大小取决于实际应用。 一般来说，壳单元用于主尺寸不小于10 倍厚度的结构。对于只受拉
3、、压力的线单元，我们通常将其定义为杆单元。 既受拉、压力，又有弯曲应力的， 则将其定义为梁单元。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 值得注意的是， 线单元对扭转变形很敏感， 对于承受扭矩的实体， 要用二维实体单元来模拟。二维实体单元用于模拟实体的截面，必须在总体直角坐标系xy平面内建立模型， 所有载荷作用在 xy 平面内，其位移也在 xy 平面内。三维实体单元用于那些几何、 材料、载荷或分析等要求考虑细节，而无法采用
4、更简单的单元进行建模的结构， 也用于从三维 CAD 系统转化而来的几何模型， 而这些几何模型转化成二维模型或壳体会花费大量的时间和精力。一旦选择了单元类型， 就选择了单元类型相应的形函数。形函数是指给出单元内结果形态的数值函数。 因为有限元分析的解答只是节点自由度值，需要通过形函数用节点自由度的值来描述单元内任一点的值，因此每一个单元的形函数反映单元真实特性的程度， 直接影响求解精度。 如图 1 所示，对单元类型的不同描述，可得到不同的精度。 笔者根据多年的工程经验认为，由于线性单元内部位移按线性变化，应力不变，而二次单元内部位移是二次变化，应力是线性变化的，因此若对应力要求不严格而偏重于位移
5、时，可以采用线性单元， 同时在应力梯度大的地方，划分大量的单元；如果想得到高精度的应力，应采用二次单元。而对于壳单元，线性单元与二次单元区别不明显，应优先采用线单元。2定义实常数实常数用于描述那些用单元几何形状不能完全确定的几何参数。壳单元通过四边形和三角形定义了壳的表面，实常数用来定义其厚度； 而梁单元的实常数相对复杂，其界面如图2 所示。主要包括截面积、截面对zz 轴、yy 轴的惯性矩、沿 z 轴、y 轴的厚度（最大应力发生在离轴最远点）等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -
6、 - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 对于简单截面梁，其几何特性这里不再赘述。 但对于实体结构复杂的复合梁，其截面特性的定义具有技巧。 如图 3 所示结构， 在有限元建模过程中， 为简化结构，减少单元数量，通常将其简化为单根梁。经过受力分析可知，主要承力构件为 4 根立柱，其余斜杆只是起辅助支撑作用，因此其截面应简化如图3 所示。但是，经过计算会发现， 计算结果数据中位移和应力明显偏小，与实际情况有出入。经过分析不难发现，造成这种情况的原因是截面的选择只考虑了截面积和惯性矩，忽视了梁单元的质量，从而造成重力变形减小。解决这个问题，不能简单增大截面积，那样会使计算应力
7、不可信。我们可以采取2 种方法：（1）沿梁轴线均匀加载一个沿重力方向的线性载荷；（2）将梁单元材料密度乘一个系数。上述 2 种方法均切实可行，也得到了工程实践的验证。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 3单元的材料特性绝大多数单元类型都需要材料特性。根据应用的不同， 材料特性可以是线性或非线性。与单元类型、实常数一样，ANSYS 软件对每一组材料特性有一个材料参考号。但值得注意的是， 材料库中的特性值是为了方便而提供
8、的，这些数值是材料的典型值， 供用户进行基本分析及一般应用场合，特殊情况用户应自己输入数据。线性材料特性可以是常数或温度相关的，各向同性或正交异性的， 对各向同性材料只需指定其一个方向的特性。非线性材料特性通常是表格数据，如塑性数据、磁场数据、蠕变数据、膨胀数据、超弹性材料数据等。材料特性主要由材料本身物理特性决定，在此不再赘述。4结语单元属性是单元的基本特性，如何对其准确定义需要我们在实践中不断摸索。由于作者水平有限，不足之处恳请批评指正。参考文献1刘鸿文材料力学 M 北京：高等教育出版社，19902ANSYS 操作手册， 2000名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -