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1、第10章 单元属性,单元属性是指在划分网格以前必须指定的所分析对象的特征。这些特征包括：材料属性（Steel、aluminum、Plastic等）-MAT单元类型（实体单元、梁单元、壳单元等）-TYPE实常数（壳单元厚度、梁单元横截面等）-REAL,10.1 材料属性,ANSYS所有的分析都需要输入材料属性-例如在结构分析至少要输入材料的杨氏模量EXX，热分析至少要输入材料的导热系数等KXX定义材料性质的两种方法:材料库单独定义,10.1 材料属性(续),10.1 材料属性(续),10.2 从材料库选取材料,先定义库的路径Preprocessor Material Props Material
2、 Library Library Path或使用/MPLIB 命令,输入要读取的材料数据的位置,10.2 从材料库选取材料(续),接着从库中输入一种材料Preprocessor Material Library Import Library选择单位制。这仅仅用来筛选后续对话框中所列的文件，ANSYS 本身没有单位制的概念，也不进行单位换算选择想要的材料文件，如钢 AISI C1020.或使用 MPREAD 命令中的 LIB选项.,10.3 单独指定材料属性,这种方法通过 材料模型 GUI方式直接指定想要的材料性质，以取代选择材料名称。,10.3 单独指定材料属性(续),先定义好材料类型的结构树
3、接着输入单个材料的性质值或使用 MP 命令mp,ex,1,30e6mp,prxy,1,.3,10.3 单独指定材料属性(续),添加与温度相关的材料性质绘出性质-温度曲线,10.3 单独指定材料属性(续),从一个材料表复制材料模型到另一个材料表删除材料模型,10.4 ANSYS分析中的单位制,除了磁场分析以外，用户不需要告诉ANSYS使用的是什么单位制。只需要自己决定使用何种单位制，然后确保所有输入的值的单位制保持统一(ANSYS并不转换单位制)。ANSYS读入输入的数值，并不检验单位制是否正确。(注意:/UNITS 命令只是一种简单的记录，告诉别的人现在使用的单位制)单位制将影响输入的实体模型
4、尺寸、材料属性、实常数以及载荷等。,10.5 单元种类,单元类型是一个重要的选项，该选项决定如下的单元特性:自由度(DOF)设置-例如，一个热单元类型有一个自由度：TEMP，而一个结构单元类型可能有6个自由度：UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ.单元形状-块,四面体,四边形,三角形等维数-2-D(仅有X-Y 平面),or 3-D假定的位移形函数-线性及二次,10.5 单元种类(续),常用单元的形状,.,点(质量),线(弹簧,梁,杆,间隙),面(薄壳,二维实体,轴对称实体),体(三维实体),10.5 单元种类(续),在单元手册(资料或在线帮助)中，ANSYS单元库有150多种单元类型
5、，其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。你要做的工作就是将单元的选择范围缩小到少数几个单元上。,具体单元名称,单元图示,ANSYS 单元名称,单元特性,(类别,编号),10.5 单元种类(续),在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。选择维数最低的单元去获得预期的结果(尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体)。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。你可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。,10.5.1 线单元,Beam(梁)单元是用于螺栓(杆)，薄壁管件，C形截面构件，
6、角钢或者狭长薄膜构件(只有膜应力和弯应力的情况)等模型。Spar(杆)单元是用于弹簧，螺杆，预应力螺杆和薄膜桁架等模型。Spring单元是用于弹簧，螺杆，或细长构件，或通过刚度等效替代复杂结构等模型。,10.5.2 壳单元,Shell(壳)单元用于薄面板或曲面模型。壳单元分析应用的基本原则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的10倍。,10.5.3 X-Y平面单元,在整体笛卡尔X-Y平面内(模型必须建在此面内)，有几种类型的ANSYS单元可以选用。其中任何一种单元类型只允许有平面应力、平面应变、轴对称、和/或者谐结构特性。平面应力或应变:,10.5.3.1 平面应力,平面应力 假定在Z方向上的应力为
7、零，主要有以下特点：当Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上的尺寸才有效。所有的载荷均作用在XY平面内。在Z方向上存在应变。运动只在XY平面内发生。允许具有任意厚度(Z方向上)。,平面应力 分析是用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。,10.5.3.2 平面应变,平面应变 假定在Z方向的应变为零，主要具有以下特点：当Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上的尺寸才有效。所有的载荷均作用在XY平面内。在Z方向上存在应力。运动只在XY平面内发生。,平面应变分析是用于分析那种一个方向的尺寸（指定为总体Z方向）远远大于其它两个方向的尺寸，并且垂直于Z轴的横截面是不变的。,
8、10.5.3.3 轴对称,轴对称 假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360o 形成的(管,锥体,圆板,圆顶盖,圆盘等)。对称轴必须和整体 Y 轴重合。不允许有负 X 坐标。Y方向是轴向，X方向是径向，Z方向是周向(hoop)。周向位移是零；周向应变和应力十分明显。只能承受轴向载荷(所有载荷)。,10.5.3.4 谐单元,谐单元 将轴对称结构承受的非轴对称载荷分解成傅立叶级数。傅立叶级数的每一部分独立进行求解，然后再合并到一起。谐单元较常用于单一受扭或受弯的分析求解，其中受扭和受弯对应于傅立叶级数的第1和第2项。这种简化处理本身不具有任何近似性！,10.5.3.4 谐单元(续),谐单
9、元-举例：假定一承受剪力，弯矩，和/或者扭矩的轴。,轴上的扭矩以傅立叶级数的一项施加到轴上。这时，除了扭矩外，事实上是一般的轴对称问题。弯矩和横向剪力可以分别作为傅立叶级数的其它两项施加到轴上。谐单元还可以用于实际当中的任意循环分布载荷，这可能需要分解成50-100项傅立叶级数才能得到满意的结果。,10.5.4 三维实体单元,用于那些由于几何、材料、载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构四面体模型使用CAD建模往往比使用专业的FEA分析建模更容易，也偶尔得到使用。,10.5.5 专用单元,专用单元 包括接触单元-用于构件间存在接触面的结构建模，如涡轮盘和叶片，螺
10、栓头部和法兰，电触头，以及O-圈等等。做好接触分析要求有这方面的知识和经验。,10.5.6 线性单元/二次单元/p单元,一旦你决定采用平面、三维壳或者三维实体单元，还需要进一步决定采用线性、四边形或p单元。线性单元和高阶单元之间明显的差别是线性单元只存在“角节点”，而高阶单元还存在“中节点”。,线性单元内的位移按线性变化，因此(大多数时)单个单元上的应力状态是不变的。二次单元内的位移是二阶变化的，因此单个单元上的应力状态是线性变化的。p单元内的位移是从2阶到8阶变化的，而且具有求解收敛自动控制功能，自动选取各位置上分析应当采用的阶数。,10.5.6 线性单元/二次单元/p单元(续),ANSYS
11、中各线性概念之间的区别：线性分析 是指不包含任何非线性影响(如：大变形,塑性，或者接触)。线性方程 求解器 是指方程组解就是结构的自由度解。即使是非线性分析，这些方程还是线性的(但必须进行多次求解)。线性单元 假定单元内的自由度按线性变化(跟二次单元,三次单元,或 p单元相比)。,10.5.6 线性单元/二次单元/p单元(续),在许多情况下，同线性单元相比，采用更高阶类型的单元进行少量的计算就可以得到更好的计算结果。下面是根据不同分析目的进行单元选择的情况。,10.5.6 线性单元/二次单元/p单元(续),在进行单元选择时应考虑的其它因素线性单元的扭曲变形可能引起精度损失。更高阶单元对这种扭曲
12、变形不敏感。就求解的精度的差别讲，线性单元和二次单元网格之间的差别远没有平面单元和三维实体单元网格之间的差别那么惊人之大。你可能更喜欢使用线性(平)壳单元。,高度扭曲的二次情形(非平行对边),10.5.6 线性单元/二次单元/p单元(续),大多数二次单元允许忽略部分或所有边的中节点。但是，在没有中节点的边上，你只能得到线性结果。如果所有中节点均不存在，该单元就变成了线性单元，计算精度也随之降低(由于转化成线性单元的二次单元和块单元具有“不相容的位移模式”，并引起单元弯曲)。,10.5.6 线性单元/二次单元/p单元(续),更高阶的单元模拟曲面的精度就越高。,10.5.6 线性单元/二次单元/p
13、单元(续),采用越来越高阶的单元，给曲线结构划分越来越稀疏的单元网格，ANSYS开始向你发出警告，甚至发出由于单元扭曲变形超过单元允许范围而引起网格划分失败的信息。其原因是，由于模型表面单元的弯曲程度过大，使部分中节点偏离了自身位置，最终决定了你能划分单元网格的稀疏程度。同其它软件一样，ANSYS程序允许用更高阶的直边单元划分网格(降低了实际几何模型的精度，特别是对于p单元而言，通常极不理想)，也允许用不带中节点的更高阶单元划分单元网格(既降低了几何模型的精度，又降低了单元精度，所以在通常情况下更不理想)。所以，一般建议采用尽可能稀疏的单元网格，而又不至于出现形状检查警告。,10.5.6 线性
14、单元/二次单元/p单元(续),你不能将接触单元同具有中节点的单元连起来(仅对于节点-节点和节点-面接触单元而言，对于面-面接触单元则是允许的)。类似地，在热分析问题中，你不能将辐射link单元或者非线性对流表面添加到具有中节点的单元上。(ANSYS提供了多种划分必须忽略中节点的单元网格的方法)。在非线性材料特性区域内，二次单元并不比线性单元更有效。,10.5.7 四边形单元/三角形单元，块单元/四面体单元,针对平面或者三维壳体分析模型而言，四边形单元和三角形单元是有差别的，下表列出了这些差异。,10.5.7 四边形单元/三角形单元，块单元/四面体单元(续),全部采用三角形单元网格的理由是相当少
15、的。给面进行单元网格划分的实质问题是，你是否允许模型中存在一些三角形单元网格。实际上，各处存在三角形单元会相当麻烦，但是应当仔细思考下列问题:如果采用更高阶单元，三角形单元的计算精度接近于二次单元。所以，全部采用二次单元网格也是没有什么理由的。如果采用线性单元，三角形单元就十分糟糕，但是，不这样会使四边形单元网格扭曲。除了多数不重要的结构外，任何四边形单元网格(结构的或者非结构的)不得不包含部分形状糟糕的三角形单元网格。所以，还是没有理由全部采用四边形单元。,10.5.7 四边形单元/三角形单元，块单元/四面体单元(续),对三维实体分析模型而言，块单元和四面体单元是有差别的，下表列出了这些差异
16、。,10.5.7 四边形单元/三角形单元，块单元/四面体单元(续),建立三维实体模型需要作出下列选择：使用四面体单元划分网格 采用简便方法建立实体模型。选用二次单元或者 p单元。使用块单元划分单元网格选用块单元网格建立实体模型。通常需要花费更多时间和精力。划分子区域 连接处理 延伸 采用任何块单元。,10.5.7 四边形单元/三角形单元，块单元/四面体单元(续),为什么使用四面体单元划分单元网格会有这么大的困难呢？过去，有限元模型全部采用线性四面体单元网格(我们已经讲过这种模型十分“粗糙”)。现在，使用二次单元和p单元的有限元模型变得相当理想了。四面体单元模型的自由度几乎是同等精度的块单元单元
17、模型的3到10倍。迄今求解器技术取得了很大突破，大多数分析者还是没有高性能的计算机来求解无关紧要的四面体单元模型,块单元网格:125 个单元，216 个节点,四面体单元网格:679 个单元，1230 个节点,10.5.7 四边形单元/三角形单元，块单元/四面体单元(续),还有其它一些因素帮你作出选择：做接触分析，使用四面体单元划分网格时还需要进行一些处理，消除接触面上的中节点(只针对节点-节点接触单元和节点-面接触单元，而面-面接触单元则不需要)。长或薄结构划分成块单元网格可能更理想。,10.6 定义单元类型,1.选择Add,10.6 定义单元类型(续),3.选择单元类型,2.选择单元分类,4
18、.选择OK,10.6 定义单元类型(续),5.如果必要，选择Options修改单元选项。,7.选择Close结束单元类型定义,6.选择Help得到更多单元选项的帮助,10.6 定义单元类型(续),使用图示摘要可以帮助选择单元类型。如果需要某种单元的详细描述，点取单元图形即可，当选定了单元类型后，记住名称和代号，选择 choose File Exit退出,10.6 定义单元类型(续),注意:设置想要分析学科的选项(Main Menu Preferences)，这样将只显示所选学科的单元类型。应当在前处理阶段尽早地定义单元类型，因为GUI方式中菜单的过滤依赖于当前自由度的设置。例如，如果选择结构单
19、元类型，则热载荷选项成灰色，或根本不出现。,10.7 单元特性的赋予方法,在创建有限元模型的过程中，单元特性的赋予一般有三种方法：在划分单元网格前将单元特性赋予实体模型在划分单元网格前设置“global”的MAT、TYPE和REAL在划分单元网格后对单元特性进行修改如果没有赋予单元特性，ANSYS则自动将所有单元赋予缺省值：MAT=1、TYPE=1、和REAL=1。,10.8 对实体模型赋予单元特性,1.定义必要的单元特性、材料特性和实常数。2.Main Menu:Preprocessor MeshTool3.选择Set4.选择希望的图元类型5.拾取希望的图元(如areas),10.8 对实体
20、模型赋予单元特性(续),8.重复3-7步对其它AREA赋予单元特性说明：当赋予单元属性的图元划分单元后，单元属性将直接转化到单元上,6.设置相应特性,7.拾取OK,10.9 激活全局单元属性设置,1.定义必要的单元特性、材料特性和实常数。2.Main Menu:Preprocessor MeshTool,3.选择Global,4.选择Set,10.9 激活全局单元属性设置(续),7.仅对具有上述单元属性设置的图元进行网格划分8.重复3-7 步对模型中全部图元划分单元,5.在划分单元前给图元激活特定单元属性,6.拾取OK,10.10 修改单元属性,3.为要修改的单元激活适当的单元属性,1.定义必
21、要的单元特性、材料特性和实常数,2,4.拾取OK,10.10 修改单元属性(续),9.重复2-8步对模型中全部图元划分单元属性,5,7.选择All to current,8.拾取OK,6.拾取要修改的单元,10.11 提醒注意,给实体模型图元赋予新单元属性将覆盖其原有属性已给实体模型图元赋予单元属性后，不必在划分单元时再次设置单元属性。ANSYS 网格划分效率很高，可以一次将所有模型划分单元，因而这种方法更为优越清除实体模型上的网格将不会删除指定的单元属性可以激活属性编号校核单元属性,10.12 实常数,实常数是针对某一单元的几何特征，用于描述那些由单元几何模型不能完全确定的几何形状。例如:梁
22、单元是由连接两个节点的线来定义的，这只定义了梁的长度。要指明梁的横截面属性，如面积和惯性矩，就要用到实常数。壳单元是由四面体或四边形来定义的，这只定义了壳的表面积，要指明壳的厚度，必须用实常数。许多 3-D 实体单元不需要实常数，因为单元几何模型已经由节点完全定义。,10.13 定义实常数,1.选择Add,3.选择OK,2.选择要定义的实常数是针对哪种单元类型,10.13定义实常数(续),5.选择OK,4.输入实常数,6.如果要定义另一实常数，选择Add并重复25步,7.结束实常数定义，选择 Close,10.14 多种单元属性,如前所述,每个单元有以下与之相关的属性:单元类型(TYPE)实常
23、数(REAL)材料特性(MAT)许多 FEA 模型有多种属性.例如，下图所示的筒仓有两种单元类型,三种实常数,以及两种材料。,材料 1=混凝土材料 2=钢,实常数 1=3/8”厚度实常数 2=梁单元特性实常数 3=1/8”厚度,类型 1=壳单元类型 2=梁单元,10.14 多种单元属性(续),只要您的模型中有多种单元类型(TYPEs)，实常数(REALs)和 材料(MATs)，就必须确保给每一种单元指定了合适的属性。有以下3种途径：在网格划分前为实体模型指定属性在网格划分前对MAT,TYPE,和REAL进行“总体的”设置在网格划分后修改单元属性如果没有为单元指定属性，ANSYS将MAT=1,TYPE=1,和 REAL=1作为模型中所有单元的缺省设置.注意,采用当前激活的TYPE,REAL,和 MAT 进行网格操作。,
