ANSYSplane单元.docx
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ANSYSplane单元.docx
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ANSYSplane单元
4.2平面单元PLANE2
单元性质:
2维6节点三角形实体结构单元
有效产品:
MPMEST<><>PR<><><>PPED
PLANE2单元说明
PLANE2是一个6节点三角形单元,与8节点的PLANE82单元兼容。
本单元具有一个二次的位移函数,可以较好地适应不规则的模型网格(比如由不同的CAD/CAM系统所产生的模型)。
本单元有6个节点,每个节点有2个自由度,分别为x和y方向的平移,既可用作平面单元(平面应力或平面应变),也可以用作轴对称单元。
本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。
关于本单元的更多细节见ANSYS公司理论手册中的PLANE2。
图2.1PLANE2单元几何
PLANE2输入数据
在图2.1:
"PLANE2单元几何"中给出了PLANE2单元的几何形状,节点位置和坐标系。
除了节点外。
单元输入数据还包括一个厚度(仅当KEYOPT(3)=3时)以及正交异性材料特性。
正交异性材料的方向与单元坐标系方向一致,单元坐标系的方向在"坐标系"中说明。
单元载荷在"节点和单元载荷"中说明。
压力可以作为单元边界上的面载荷输入,如图2.1:
"PLANE2单元几何"中带圆圈数字所示。
正压力指向单元内部。
可以输入温度和流量作为单元节点处的体载荷。
节点I处的温度T(I)默认为TUNIF。
如果不给出其它节点处的温度,则默认等于T(I)。
如果给出了所有角节点的温度,各中间节点的温度默认为其相邻角节点温度的平均值。
对于任何其它的输入方式,未给定的温度默认为TUNIF。
对于流量的输入与此类似,只是默认值用零代替了TUNIF。
对平面问题,除了KEYOPT(3)=3的情况外,本单元如有节点力,应输入每单位厚度的力值;对轴对称问题应输入整个圆周(360°)的力值。
通过ISTRESS或ISFILE命令可以对本单元施加初始应力。
进一步的信息见"ANSYS基本分析指南"中的初始应力载荷。
另外,将KEYOPT(9)设置为1,可以通过用户子程序USTRESS来读取初始应力。
关于用户子程序的细节见"ANSYS用户程序特性指南"。
在进行几何非线性分析时,可以使用SOLCONTROL,,,INCP命令来包含压力的影响。
在线性特征值屈曲分析中自动包括压力载荷刚度效应。
如果需要非对称的压力载荷刚度效应矩阵,使用NROPT,UNSYM命令。
在"PLANE2输入汇总"中给出了本单元输入数据的一个汇总。
在"单元输入"中给出了本单元输入数据的一般说明。
对于轴对称问题,见"轴对称单元"。
PLANE2输入汇总
节点:
I,J,K,L,M,N
自由度
UX,UY
实常数
如果KEYOPT(3)=0,1,或2-无
如果KEYOPT(3)=3-输入厚度THK
材料特性
EX,EY,EZ,PRXY,PRYZ,PRXZ(或NUXY,NUYZ,NUXZ),
ALPX,ALPY,ALPZ(或CTEX,CTEY,CTEZ或THSX,THSY,THSZ),DENS,GXY,DAMP
面载荷
压力-
边1(J-I),边2(K-J),边3(L-K)
体载荷
温度--T(I),T(J),T(K),T(L),T(M),T(N)
流量--FL(I),FL(J),FL(K),FL(L),FL(M),FL(N)
特定求解能力
塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形、大应变、生死单元、自适应下降、初应力输入
关键选项
KEYOPT(3)–单元行为:
0-平面应力
1-轴对称
2-平面应变(Z向应变=0.0)
3-带有厚度输入的平面应力
KEYOPT(5)-额外应力输出
0-输出基本单元解
1-输出积分点应力
2-输出节点应力
KEYOPT(6)-额外表面结果输出
0-输出基本单元解
3-同时输出各积分点处的非线性结果
4-对有非零压力的各边输出表面结果
KEYOPT(9)-初应力子程序选项(只有直接输入KEYOPT命令才可用)
0-不使用用户子程序提供初应力(默认)
1-从用户子程序USTRESS读入初应力数据(如何写用户子程序见ANSYS用户程序特性指南)
PLANE2输出数据
与单元有关的结果输出有两种形式:
·包括在整个节点解中的节点位移。
·附加的单元输出,见表2.1"PLANE2单元输出定义"。
在图2.2"PLANE2应力输出"中显示了几个输出项。
单元应力的方向平行于单元坐标系。
对于单元中任意具有非零压力的边,可以输出表面应力;表面应力定义为平行或垂直于边界线,例如IJ边的表面应力定义为平行和垂直IJ线,对于平面问题沿Z轴方向,对于轴对称问题沿环向。
在"结果输出"中给出了对于结果输出的一般说明。
查看的方法见"ANSYS基本分析指南"。
图2.2PLANE2应力输出
单元输出定义表使用如下标记:
在名称列中的冒号(:
)表示该项可以用分量名方法[ETABLE,ESOL]处理;O列表示该项可用于Jobname.OUT文件;R列表示该项可用于结果文件。
无论O列或R列,Y表示该项总是可用的,数字表示表的一个注解,其中说明了使用该项的条件;而减号"-"表示该项不可用。
表2.1PLANE2单元输出定义
名称
定义
O
R
EL
单元号
Y
Y
NODES
单元角节点(I,J和K)
Y
Y
MAT
单元材料号
Y
Y
THICK
单元平均厚度
Y
Y
VOLU:
单元体积
Y
Y
XC,YC
结果输出点位置
Y
3
PRES
压力,P1在节点J,I;P2在K,J;P3在L,K
Y
Y
TEMP
温度T(I),T(J),T(K),T(L),T(M),T(N)
Y
Y
FLUEN
流量FL(I),FL(J),FL(K),FL(L),FL(M),FL(N)
Y
Y
S:
X,Y,Z,XY
应力(对平面应力单元SZ=0.0)
Y
Y
S:
1,2,3
主应力
Y
-
S:
INT
应力强度
Y
-
S:
EQV
当量应力
Y
Y
EPEL:
X,Y,Z,XY
单元的弹性应变
Y
Y
EPEL:
1,2,3
单元的弹性主应变
Y
-
EPEL:
EQV
单元的当量弹性应变[4]
-
Y
EPTH:
X,Y,Z,XY
单元的平均热应变
Y
Y
EPTH:
EQV
单元的当量热应变[4]
-
Y
EPPL:
X,Y,Z,XY
单元的塑性应变
2
2
EPPL:
EQV
单元的当量塑性应变[4]
-
2
EPCR:
X,Y,Z,XY
单元的蠕变应变
2
2
EPCR:
EQV
单元的当量蠕变应变[4]
-
2
EPSW
单元的辐射膨胀应变
2
2
NL:
EPEQ
节点的当量塑性应变
2
2
NL:
SRAT
节点的真实应力与屈服面应力之比
2
2
NL:
SEPL
节点在应力-应变曲线上的当量应力
2
2
NL:
HPRES
节点静水压力
-
2
FACE
侧边标号
1
1
EPEL(PAR,PER,Z)
侧边弹性应变(平行,垂直,Z向或环向)
1
1
TEMP
侧边平均温度
1
1
S(PAR,PER,Z)
侧边应力(平行,垂直,Z向或环向)
1
1
SINT
侧边应力强度
1
1
SEQV
侧边当量应力
1
1
LOCI:
X,Y,Z
积分点位置
-
Y
注解:
1表面解输出(如果KEYOPT(6)=4且对于非零压力边界)。
2非线性结果,只有在单元为非线性材料特性时才输出。
3仅用作*GET命令的输出项,给出单元中心处结果。
4当量应变使用有效泊松比:
对于弹性和热问题,该值由用户给出(MP,PRXY命令);对于塑性和蠕变问题,该值设为0.5。
表2.2PLANE2其它单元输出
说明
输出项名称
O
R
积分点非线性结果
EPPL,EPEQ,SRAT,SEPL,HPRES,EPCR,EPSW
1
-
积分点应力
LOCATION,TEMP,SINT,SEQV,EPEL,S
2
-
节点应力
LOCATION,TEMP,S,SINT,SEQV
3
-
注解
1当单元材料为非线性且KEYOPT(6)=3时在各积分点处输出;
2当KEYOPT(5)=1时在各积分点处输出;
3当KEYOPT(5)=2时在各角点处输出;
表2.3:
"PLANE2输出项和序列号"列出了可以通过ETABLE命令,采用序列号方法输出的内容列表。
更多信息见"ANSYS基本分析指南"中关于一般后处理(POST1)部分和本手册中关于"输出项和序列号表"部分。
在表2.3:
"PLANE2输出项和序列号"中使用以下标记:
NAME
与表2.1:
"PLANE2单元输出定义"中相同定义的输出量;
ITEM
用于ETABLE命令的预先定义的输出项;
E
对于单值或常数型单元数据的序列号;
I,J,K,L,M,N
节点I,J,K,L,M,N处数据的序列号;
表2.3PLANE2输出项和序列号
输出量
名称
ETABLE和ESOL命令输入
Item
E
I
J
K
L
M
N
P1
SMISC
-
2
1
-
-
-
-
P2
SMISC
-
-
4
3
-
-
-
P3
SMISC
-
5
-
6
-
-
-
使用ETABLE命令的表面解的输出项和序列号见本手册中的表面解。
PLANE2假设和限制
·单元的面积必须大于零。
·对轴对称分析,PLANE2单元必须位于总体坐标的X-Y平面中,Y轴必须是对称轴,如图2.1"PLANE2单元几何"所示;轴对称结构建模必须满足X≥0。
·删除一条边上的中间节点,则意味着沿该边的位移变化为线性的,而不再是抛物线的。
关于使用有中间节点的单元的更多信息参见"ANSYS建模和分网指南"中的"二次单元(中间节点)"。
·只有在满足单元解部分所说明的条件时,表面应力输出才是有效的。
PLANE2产品限制
对于以下产品,本单元在上述一般假设和限制的基础上再增加一定的限制:
ANSYSProfessional:
·材料的阻尼(DAMP)特性不能用;
·流体体载荷不能用;
·特定功能中只有应力刚度可以使用;
·KEYOPT(6)=3不能用。
4.12PLANE13
单元性质:
2维耦合场实体单元
有效产品:
MPME<><><><>EM<><>PPED
PLANE13单元说明
PLANE13具有2维磁、热、电、压电和结构场分析能力,并能在各场之间实现有限的耦合。
本单元有4个节点,每个节点最多有4个自由度。
本单元具有为B-H曲线或永磁体退磁曲线建模的非线性磁能力。
PLANE13单元具有大变形和应力刚度能力。
在用于纯结构分析时,PLANE13单元也具有大应变的能力。
关于本单元的更多细节见"ANSYS公司理论手册"中的PLANE13。
具有类似功能的耦合场单元是SOLID5、SOLID62和SOLID98。
图 13.1 PLANE13单元几何
PLANE13输入数据
在图13.1:
"PLANE13单元几何"中给出了PLANE13单元的几何形状、节点位置和单元坐标系。
单元输入数据包括4个节点和磁、热、电及结构材料特性。
单位类型(MKS单位或用户定义)通过EMUNIT命令指定。
EMUNIT也确定MUZERO的值。
EMUNIT默认采用MKS单位,而MUZERO=4 πx10-7亨/米。
除MUZERO外,通过材料特性表中的MURX和MURY来定义正交各向异性的相对导磁率。
MGXX和MGYY表示永磁材料矫顽力的矢量分量。
矫顽力的大小为其各个分量的平方和的平方根。
极化方向由分量MGXX和MGYY确定。
永久磁极的方向和正交各向异性材料的方向与单元坐标系一致。
单元坐标系的定位见坐标系。
非线性磁特性B-H、压电特性和各向异性弹性特性用TB命令输入,详见"数据表–隐式分析"。
非线性正交各向异性磁特性可以通过B-H曲线和线性相关导磁率的结合来确定。
在各单元坐标方向上使用B-H曲线时,将相应导磁率设置为零。
一种材料只能设置一条B-H曲线。
本单元可以组合使用不同的节点载荷(取决于KEYOPT
(1)的值)。
节点载荷用D和F命令定义。
如果有节点载荷,对平面问题应该输入每单位厚度的值,对轴对称分析应该输入整个360°圆周的值。
单元载荷在"节点和单元载荷"中说明。
压力、对流热或热流密度(二者不能同时使用)、辐射以及麦克斯韦面标记[1]可以作为单元边界面上的载荷用SF和SFE命令输入,如图13.1"PLANE13单元几何"中带圆圈数字所示。
正压力指向单元内部。
需要计算磁力的表面,可以在该面上使用无数值参数的面载荷命令MXWF作为标记。
在这些面上会计算一个麦克斯韦应力张量以得到磁力。
在求解时,这些力作为载荷施加到结构上。
该表面标记应该施加到与需要计算力的体相邻的"空气"单元上。
删除指定的MXWF也就取消了该标记。
体载荷-温度、生热率以及磁虚位移[2]可以输入其在单元节点处的值或单一的单元值[BF和BFE]。
源流密度载荷可以施加到面(area)上[BFA],也可以施加到单元上[BFE]。
当存在温度自由度时(KEYOPT
(1)=2或4),忽略以体载荷方式[BF和BFE]施加的温度。
一般情况下,未给定的节点温度和生热率默认为由BFUNIF或TUNIF指定的均匀温度或生热率。
在静态和瞬态分析时,来自焦尔热的生热率作为求解时的热载荷。
如果存在温度自由度,计算得到的温度将替换任何输入的节点温度。
对于需要计算局部Jacobian力[2]的空气单元,可以将[BF]命令中MVDI标识符的节点值取为1和0以作为识别。
细节可见"ANSYS电磁场分析指南"。
求解时这些力不施加到结构上。
译注:
[1]"麦克斯韦面标记MXWF"不是真正意义上的载荷,它只是给模型中需要计算力的部分加上标记。
一般给与模型表面相邻的空气单元加上该标记,计算出力后储存到相邻的空气单元中,再在后处理器中对它们求和以得到该部分的合力。
[2]"磁虚位移MVDI"不是真正意义上的载荷,它只是给模型中需要计算力的部分加上标记。
和麦克斯韦面标记的作用相同,只是使用了虚功方法。
磁标量势选项由SOURC36单元、RACE宏命令或电磁耦合来定义。
不同的磁标量势求解选项用MAGOPT命令定义。
单元输入汇总于"PLANE13输入汇总"。
对于本单元输入的一般说明见"单元输入"。
用于轴对称问题时,见轴对称单元。
PLANE13输入汇总
节点
I,J,K,L
自由度
若KEYOPT
(1)=0:
AZ
若KEYOPT
(1)=2:
TEMP
若KEYOPT
(1)=3:
UX,UY
若KEYOPT
(1)=4:
UX,UY,TEMP,AZ
若KEYOPT
(1)=6:
VOLT,AZ
若KEYOPT
(1)=7:
UX,UY,VOLT
实常数
无
材料特性
EX,EY,EZ,(PRXY,PRYZ,PRXZ或NUXY,NUYZ,NUXZ),
ALPX,ALPY,ALPZ(或CTEX,CTEY,CTEZ或THSX,THSY,THSZ),
DENS,GXY,DAMP,
KXX,KYY,C,ENTH,MUZERO,MURX,MURY,
RSVZ,MGXX,MGYY,PERX,PERY,
加上BH,ANEL,以及PIEZ数据表(见ANSYS帮助中的"数据表–隐式分析")。
面载荷
压力、对流或热流密度(但二者不同时)、辐射(用标识符Lab=RDSF)以及麦克斯韦面标记:
面1(J-I),面2(K-J),面3(L-K),面4(I-L)
体载荷
温度 -
T(I),T(J),T(K),T(L)
生热率 -
HG(I),HG(J),HG(K),HG(L)
磁虚位移 -
VD(I),VD(J),VD(K),VD(L)
源流密度 -
备用,备用,JSZ(I),PHASE(I),备用,备用,
JSZ(J),PHASE(J),备用,备用,JSZ(K),PHASE(K),
备用,备用,JSZ(L),PHASE(L)
求解能力
·场的耦合计算(位移、温度、电、磁,但不包括压电),要求迭代求解;
·大变形;
·大应变;
·应力刚度;
·生死单元;
·自适应下降。
关键选项
KEYOPT
(1)–单元自由度
0 -- AZ自由度
2 -- 温度自由度
3 -- UX,UY自由度
4 -- UX,UY,TEMP,AZ自由度
6 -- VOLT,AZ自由度
7 -- UX,UY,VOLT自由度
KEYOPT
(2)–额外的形状函数
0 -- 包括额外的形状函数
1 -- 不包括额外的形状函数
KEYOPT(3)–单元性质
0 - 平面应变(有结构自由度)
1 - 轴对称
2 - 平面应力(有结构自由度)
KEYOPT(4)–单元坐标系定义
0 - 单元坐标系平行于总体坐标系;
1 - 单元坐标系以I-J边为基础。
KEYOPT(5)–额外的单元输出
0 - 基本单元输出;
1 - 对所有积分点重复基本解;
2 - 节点应力输出。
PLANE13输出数据
与单元有关的结果输出有两种形式:
•包括在整个节点解中的节点自由度。
•附加的单元输出,见表13.1"PLANE13单元输出定义"。
在图13.2"PLANE13应力输出"中显示了几个输出项。
单元输出的方向平行于单元坐标系。
在"结果输出"中给出了对于结果输出的一般说明。
查看的方法见"ANSYS基本分析指南"。
图 13.2 PLANE13单元输出
由于直角坐标系和极坐标系使用的符号约定不同,对平面(KEYOPT(3)=0)和轴对称(KEYOPT(3)=1)分析,磁流量密度矢量的方向相反。
单元输出定义表使用如下标记:
在名称列中的冒号(:
)表示该项可以用分量名方法[ETABLE,ESOL]处理;O列表示该项可用于Jobname.OUT文件;R列表示该项可用于结果文件。
无论O列或R列,Y表示该项总是可用的,一个数字表示表的一个注解,其中说明了使用该项的条件;而减号"-"表示该项不可用。
表 13.1 PLANE13单元输出定义
名称
定义
O
R
EL
单元号
Y
Y
NODES
节点-I,J,K,L
Y
Y
MAT
材料号
Y
Y
VOLU:
体积
Y
Y
XC,YC
结果输出点位置
Y
3
PRES
P1在节点J,I;P2在K,J;P3在L,K;P4在I,L
Y
Y
TEMP
输入温度T(I),T(J),T(K),T(L)
Y
Y
HGEN
输入的生热率HG(I),HG(J),HG(K),HG(L)
Y
-
S:
X,Y,Z,XY
应力分量(对平面应力问题SZ=0.0)
1
1
S:
1,2,3
主应力
1
1
S:
INT
应力强度
1
1
S:
EQV
当量应力
1
1
EPEL:
X,Y,Z,XY
弹性应变
1
1
EPEL:
1,2,3
弹性主应变
1
-
EPEL:
EQV
当量弹性应变[4]
-
1
EPTH:
X,Y,Z,XY
平均热应变
1
1
EPTH:
EQV
当量热应变[4]
-
1
TG:
X,Y,SUM
热梯度分量和矢量和
1
1
TF:
X,Y,SUM
热流率密度(热流率/截面积)分量和矢量和
1
1
EF:
X,Y
电场分量(X,Y)
1
1
EF:
SUM
EF矢量的大小
1
1
D:
X,Y
电流密度分量(X,Y)
1
1
D:
SUM
D矢量的大小
1
1
UE,UD,UM
电(UE),电介质(UD)和机电耦合(UM)能量
1
1
LOC
输出位置(X,Y)
1
-
MUX,MUY
导磁率
1
1
H:
X,Y
磁场强度分量
1
1
H:
SUM
H矢量的大小
1
1
B:
X,Y
磁流密度分量
1
1
B:
SUM
B矢量的大小
1
1
JSZ
源流密度,仅对静态分析有效
1
1
JTZ
总的电流密度
1
1
JHEAT:
单位体积产生的焦耳热
1
1
FJB(X,Y)
Lorentz力分量
1
1
FMX(X,Y)
Maxwell力分量
1
1
FVW(X,Y)
虚功力分量
1
1
FMAG:
X,Y
组合(FJB和FMX)力分量
-
1
FACE
侧面标记
2
2
AREA
侧面面积
2
2
NODES
侧面节点号
2
-
HFILM
侧面各节点处的膜系数
2
-
TBULK
侧面各节点处的介质温度
2
-
TAVG
侧面的平均温度
2
2
HEATRATE
由对流换热引起的边界的热流率
2
2
HEATRATE/AREA
由对流换热引起的边界每单位面积的热流率
2
-
HFLUX
侧面各节点处的热流密度
2
-
HFAVG
侧面的平均膜系数
2
2
TBAVG
侧面的平均介质温度
-
2
HFLXAVG
由输入热流引起的边界每单位面积的热流率
-
2
TJB(Z)
绕总体直角坐标系+Z轴的Lorentz扭矩
1
1
TMX(Z)
绕总体直角坐标系+Z轴的Maxwell扭矩
1
1
TVW
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