ANSYS 140 土木工程有限元分析从入门到精通Word格式文档下载.docx
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本书由王伟编著,何嘉扬、张杨、周文华、丁学英、吕广宪、孙万泉、黄利、王清、唐明明、黄利、张小勇、吴永福、郑明辉、刘力、陈磊、李秀峰参与了本书部分章节的编写,在此一并表示感谢。
读者在学习过程中遇到与本书有关的问题,可以发邮件到编者邮箱**************,编者会尽快给予解答。
第8章土木工程中常用单元
导言
在ANSYS单元手册中,ANSYS单元库有200多种单元类型,其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。
经过新老交替,ANSYS14.0已淘汰了许多老单元。
一些用处较广的老单元,在GUI添加单元时已无列表显示,但是输入命令或者在添加单元时进行手动输入编号均有效。
本章仅就土木工程分析中最常用的单元进行单元介绍。
对于不常用的单元则不进行太多叙述。
学习目标
★了解ANSYS14.0的单元类型系统
★掌握常用单元的特征
★学会针对不同问题选择合适单元
8.1单元类型简介
ANSYS中提供的单元十分丰富,用户应根据不同的使用需要选择不同的单元。
接下来将具体介绍单元的分类情况,以及选择单元的基本原则。
土木工程中最常用的是结构单元,结构单元根据其特性进行分类,可以分为杆单元、梁单元、管单元、平面实体单元、空间实体单元、壳单元、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、界面单元、显式动力分析单元。
选择单元应注意以下原则。
(1)在结构分析中,结构的应力状态决定单元类型的选择。
(2)选择维数最低的单元去获得预期的结果(尽量做到能选择点就不选择线,能选择线就不选择平面,能选择平面就不选择壳,能选择壳就不选择三维实体)。
(3)对于复杂结构,应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。
可以建立简单模型,结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。
8.2杆单元(LIN180)
ANSYS14.0的GUI单元库中,LINK单元只有LINK180和LINK11两种。
在土木工程中一般使用LINK180。
LINK180单元是有着广泛工程应用的杆单元,如图8-1所示。
它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。
这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元,每个节点具有三个自由度:
沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。
就像铰接结构一样,本单元不承受弯矩。
本单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形、大应变等功能。
默认情况下,无论进行何种分析,当使用命令NLGEOM,ON时,LINK180单元的应力刚化效应开关打开。
同时本单元还具有弹性、各向同性塑性硬化、动力塑性硬化、Hill(各向异性塑性)、Chaboche(非线性塑性硬化)以及蠕变等性能。
图8-1LINK180几何特性
在LINK180里输入摘要。
●单元名称:
LINK180。
●节点:
I,J。
●自由度:
UX,UY,UZ。
●实常数:
AREA,ADDMAS。
●材料特性:
EX(弹模),(PRXYorNUXY),ALPX(热膨胀系数),DENS(密度),GXY,DAMP(对于阻尼域的矩阵乘数K)。
●面荷载:
无。
●体荷载:
温度--T(I),T(J)。
●特殊特性:
塑性、粘弹性、粘塑性、蠕变、应力刚化(仅当NLGEOM,ON时)、大变形、大应变、初始应力输入、单元生死。
支持下列用TB命令相关的数据表种类:
BISO,MISO,NLISO,BKIN,MKIN,KINH,CHABOCHE,HILL,RATE,CREEP,PRONY,SHIFT,CAST及USER。
注意:
材料类型的详细情况见ANSYS.Inc.TheoryReference。
●KEYOPT
(2):
仅当NLGEOM,ON被激活时使用。
●0:
执行不可压缩性;
轴向拉伸功能通过截面积依比例决定(默认值)。
假定截面为刚性。
●KEYOPT(10)。
Ø
0:
无用户子程序提供初始应力。
1:
通过用户子程序USTRESS读入初始应力。
LIN180的应力输出如图8-2所示。
图8-2LINK180应力输出
附加的单元输出,如表8-1所示。
表8-1LINK180单元输出信息表
名称
定义
O
R
EL
单元号
Y
NODES
单元节点号(IandJ)
MAT
单元材料号
VOLU:
单元体积
-
XC,YC,ZC
输出结果的位置
3
AREA
截面积
FORCE
单元坐标系中力的项
STRESS
轴向应力
EPEL
轴向弹性应变
TEMP
温度T(I),T(J)
EPTH
轴向热应变
EPPL
轴向塑性应变
1
PWRK
塑性功
EPCR
轴向蠕应变
2
CWRK
蠕变功
注:
O列表示该项存在于Jobname.OUT文件;
R列表示该项存在于结果文件。
Y表示该项总是可用的,而减号“-”表示该项不可用。
杆单元假定为一直杆,轴向荷载作用在末端,自杆的一端至另一端均为同一属性。
杆长应大于零,即节点I和J不重合。
面积也必须比零要大。
假定温度沿杆长线性变化。
位移函数暗含在杆上具有相同的应力。
8.3梁单元(BEAM188)
BEAM188适用于分析细长的梁。
该元素是基于Timoshenko梁理论的,具有扭切变形效果。
BEAM188是二节点的三维线性梁,如图8-3所示。
BEAM188在每个节点上有6或7个自由度,自由度数目的变化是由KEYOPT
(1)来控制的。
当KEYOPT
(1)=0时(默认),每节点有6个自由度。
分别是沿x,y,z的位移及绕其的转动。
当KEYOPT
(1)=1时,会添加第7个自由度(翘曲量)。
图8-3BEAM188单元几何特性
此元素能很好的应用于线性分析,大偏转,大应力的非线性(分析)。
BEAM188包含应力刚度,在默认情况下,在某些分析中由NLGEOM来打开。
在进行弯曲(flexural),侧向弯曲(lateral),和扭转稳定性(torsionalstability)分析时,应力刚度应该是被打开的。
BEAM18能够采用SECTYPE,SECDATA,SECOFFSET,SECWRITE和SECREAD来定义任何截面(形状)。
弹性(elasticity),蠕变(creep)和塑性(plasticity)模型都是允许的(不考虑次截面形状)。
Beam188由整体坐标系的节点i和j定义。
节点K是定义单元方向的所选方式。
Beam188可以在没有方向节点的情况下被定义。
在这种情况下,单元的x轴方向为i节点指向j节点。
对于两节点的情况,默认的Y轴方向按平行X-Y平面自动计算。
对于单元平行与Z轴的情况(或者斜度在0.01%以内),单元的Y轴的方向平行与整体坐标的y轴。
用第三个节点的选项,用户可以定义单元的X轴方向。
如果两者都定义了,那么第三节点的选项优先考虑。
第三个节点(K),如果采用的话,将和i、j节点一起定义包含单元x轴和z轴的平面。
如果该单元采用大变形分析,需要注意这个第三号节点紧紧在定义初始单元方向的时候有效。
梁单元是一维空间线单元。
横截面资料用sectype和secdata命令独立的提供,参见ANSYSStructuralAnalysisGuide的BeamAnalysisandCrossSections。
截面与单元用截面ID号(SECNUM)来关联,截面号是独立的单元属性。
除了等截面,还可以用sectype命令中的锥形选项来定义锥形截面(参考DefiningaTaperedBeam)。
示意图如图8-4所示。
图8-4梁单元截面特性
单元基于铁木辛哥梁理论,这个理论是一阶剪切变形理论;
横向剪切应力在横截面是不变的,也就是说变形后横截面保持平面不发生扭曲。
Beam188是一阶铁木辛哥梁单元,沿着长度用了一个积分点,用默认的KEYOPT(3)设置。
因此,在i和j节点要求SMISC数值的时候,中间数值在两端节点均输出。
当KEYOPT
(1)设置为2,两个积分点作为延长的线性变量被运用。
Beam188/beam189单元可以用在细长或者短粗的梁。
由于一阶剪切变形的限制,只有适度的“粗”梁可以分析。
梁的长细比(GAL2/(EI))可以用来判定单元的适用性,这里:
G为剪切模量;
A为截面积;
L为长度;
EI为抗弯刚度。
需要注意的是这个比例的计算需要用一些全局距离尺寸,不是基于独立的单元尺度。
LINK180
I,J,K
UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ
●材料属性:
EX,(PRXYorNUXY),ALPX,DENS,GXY,GYZ,GXZ,DAMP
●表面力:
压力(用负数表示作用方向相反)
●体力:
温度T(0,0),T(1,0),T(0,1)ateachendnode
●特殊特征:
Plasticity为塑性;
Viscoelasticity为粘弹性;
Viscoplasticity为粘弹性;
Creep为蠕变;
Stressstiffening为应力刚化;
Largedeflection为大挠曲;
Largestrain为大应变;
Initialstressimport为初始应力引入;
Birthanddeath(requiresKEYOPT(11)=1)为单元的生死;
Automaticselectionofelementtechnology为自动选择单元技术。
●支持下列用TB命令相关的数据表种类:
BISO,MISO,NLISO,BKIN,MKIN,KINH,CHABOCHE,HILL,RATE,CREEP,PRONY,SHIFT,CASTandUSER。
梁单元输出属性如表8-2所示。
表8-2BEAM188应力输出
Name
Definition
单元节点号
材料号
C.G.:
X,Y,Z
重心
SF:
Y,Z
截面剪力
SE:
截面剪应变
S:
XX,XZ,XY
截面点应力
E:
截面应变
MX
扭矩
KX
扭应变
KY,KZ
曲率
EX
轴向应变
FX
轴向力
MY,MZ
弯矩
BM
双向力矩
BK
双曲率
8.4管单元(PIPE16)
该单元基于三维梁单元(BEAM4),包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行的简化。
PIPE16是一种单轴单元,具有拉压、扭转和弯曲性能。
该单元在两个结点有6个自由度:
沿节点X,Y,Z方向的平移和绕结点X,Y,Z轴的旋转。
几何特性如图8-5所示。
该单元的X轴为从I结点到J节点的方向。
当单元由2个结点组成时,单元的Y轴被自动设成平行于整体坐标系的X-Y面。
在单元平行于Z轴的情况下在沟(或在0.01%坡度范围内),该单元的Y轴是与整体坐标系的Y轴平行的。
用户若想人为控制单元X轴的方向,需定义第3个节点。
如果使用了第3节点(K),则K和I、J一起定义了包括单元X轴和Y轴的平面。
绕管圆周的输入与输出位置定义为:
若沿单元Y轴为0;
类似的,沿Z轴为90°
。
图8-5PIPE16几何特性
应力增量系数(SIF)影响弯曲应力。
若KEYOPT
(2)=0,则应力增量系数在I(SIFI)节点和J(SIFJ)节点末端输入;
若KEYOPT
(2)=1,2,或3,则软件按照T形接头自行计算并确定。
当SIF的值小于1.0时取1.0。
挠曲系数(FLEX)被分为截面的转动惯量,从而生成一个计算弯曲刚度所需的修正转动惯量。
FLEX的默认直为1.0,但也可以输入任何正数。
单元的质量可由管壁材料,外部绝缘体和内部流体计算得到。
绝缘体和流体决定了单元的质量矩阵。
允许侵蚀厚度用来计算应力。
确定的管壁其质量是常数,不用考虑其计算值。
非零的绝缘体面积是常数,不用考虑其计算值(由管壁外直径和长度获得)。
非零的刚度也是常数,不考虑管的轴向刚度。
单元荷载的分布见NodeandElementLoads。
压力将作为单元表面的面荷载输入,单元表面由PIPE16的循环数字表示。
内部压力与外部压力以正数输入。
把由风荷载或拉力荷载(管的单位长度上)产生的横向压力(PX,PY,PZ)定义在世界坐标的笛卡尔方向,正的横向压力作用在坐标的正向,可用常规的组成或规则的满布荷载(KEYOPT(5))。
逐渐变小的压力可不考虑。
只考虑单元受的恒压。
温度将作为单元节点的主要荷载输入。
温度由管壁厚坡度和直径坡度决定(KEYOPT
(1))。
I(TOUT(I)orTAVG(I))节点的初始温度默认值为TUNIF。
如果初温以后的温度没有确定,则默认值为初温。
如果已输入了I节点的所有温度,而J节点未知,则J节点的默认值为对应的I节点的值。
对于别的输入模式,未知温度的默认值为TUNIF。
KEYOPT(4)用于确定单元类型便于输出标志和后处理操作。
KEYOPT(7)用于计算一个不对称的,可逆的,有阻尼的矩阵(经常用于旋转动力分析)。
旋转频率以确定常数SPIN(弧度/次数,取单元X轴的正向为正)输入。
PIPE16。
I,J,K(K节点的正向已选定)。
UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ。
●常量:
OD,TKWALL,SIFI,SIFJ,FLEX,DENSFL,DENSIN,TKIN,TKCORR,AREAIN,MWALL,STIFF,SPIN。
EX,ALPX,PRXYorNUXY,DENS,GXY,DAMP。
压力为1-PINT,2-PX,3-PY,4-PZ,5-POUT
温度为TOUT(I),TIN(I),TOUT(J),TIN(J)如果KEYOPT
(1)=0,或TAVG(I),T90(I),T180(I),TAVG(J),T90(J),T180(J)如果KEYOPT
(1)=1。
●特殊性质:
应力硬化,过大偏差,起始与终止。
●KEYOPT
(1)
用温度描述的沿壁厚方向的梯度。
用温度描述的直径梯度。
●KEYOPT
(2)
●KEYOPT(3)
SIFI和SIFJ的应力强度系数
T型连接计算中I节点的应力强度系数
2:
T型连接计算中J节点的应力强度系数
3:
T型连接计算中两端节点的应力强度系数
●KEYOPT(4)单元核对计算输出与后处理。
直管
阀型管
变径管
法兰管
4:
膨胀连接
5:
斜接弯曲
6:
T型分支
●KEYOPT(5)用PX,PY与PZ代表横向压力。
只有法线分布的荷载
使用满布荷载(法线与剪切方向组成)
●KEYOPT(6)
不打印输出结构单元的力或力矩
打印结构单元在该单元的坐标系中的力或力矩
●KEYOPT(7)
无阻尼的回转矩阵
计算回转的阻尼矩阵。
常量SPIN必须比零大。
DENSFL和DENSIN必须为零。
与单元相关的两种结论输出形式如下:
(1)移置节点包括在所有的节点方案中。
(2)附加单元的输出如表8-3所示。
表8-3单元输出
单元数量
节点-I,J
材料数量
体积
--
XC,YC,ZC
数值结论位置
6
CORAL
允许侵蚀厚度
TOUT(I),TIN(I),TOUT(J),TIN(J)
TAVG(I),T90(I),T180(I),TAVG(J),T90(J),T180(J)
PRES
PINT,PX,PY,PZ,POUT
SFACTI,SFACTJ
节点I与节点J的应力增强系数
STH
沿管壁厚度方向的最大热量梯度所引起的应力
SPR2
环向压应力的计算编码
SMI,SMJ
节点I与节点J瞬时应力的计算编码
SDIR
径向(轴向)应力
SBEND
外表面的最大弯曲应力
ST
由扭转引起的外表面剪应力
SSF
由剪切力引起的剪应力
S(1MX,3MN,INTMX,EQVMX)
最大主应力,最小主应力,最大应力集度,最大等效应力(都作用在外表面)
S(AXL,RAD,H,XH)
轴向,径向,环向和剪切应力
4
S(1,3,INT,EQV)
最大主应力,最小主应力,应力集度,等效应力
EPEL(AXL,RAD,H,XH)
轴向,景象,环向与剪切应变
EPTH(AXL,RAD,H)
轴向,径向,与环向热应变
MFOR(X,Y,Z)
节点I与节点J上力的组成(在单元坐标系中)
5
MMOM(X,Y,Z)
节点I与节点J上力矩的组成(在单元坐标系中)
8.5实体单元(SOLID)
土木工程中常用的实体单元有SOLID65钢筋混凝土单元,以及SOLID185三维八节点结构单元。
SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋
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