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1、单元操作,第4章,4.单元操作,多数前处理 几何建模、网格划分甚至加载 是在实体模型中进行。所有的后处理都在节点和单元上进行，其运行取决于节点数量。但有几种情况，需要直接对单元操作：特殊类型面载荷梁的后处理和特殊单元数据分层单元 连接和组合单元（如杆、弹簧、对流）,.单元操作,本章将介绍如下内容：A.单元坐标系B.表面效应单元C.单元表D.练习,单元操作A.单元坐标系,模型中的每一个单元都伴随着一个单元坐标系。单元坐标系的目的是确定如下的物理量的方向:正交材料属性(EX，KXX，等。)求解的应力和应变计算(EPX，SX，SY，等。)正如 MAT(材料),TYPE(单元类型),和 REAL(实常
2、数设置),单元坐标系ESYS是第四个单元属性。,单元操作.单元坐标系,缺省的 ESYS 定位依赖单元类型。例如:线单元的单元坐标 x 轴从 I 节点指向 J 节点壳单元的缺省单元坐标系一般是：单元坐标 X的方向是从节点 I 到节点 J。在单元平面中单元坐标 Y 垂直于单元坐标 X。单元坐标 Z 由右手螺旋法则确定。实体单元的缺省单元坐标是总体直角坐标系。,K,单元操作.单元坐标系,缺省的 ESYS对大部分情况已足够，部分情况需要改变单元坐标系。例如：实体单元材料属性的方向，以玻璃纤维为代表，可能与总体直角坐标方向不平行。作用在表面的切线压力对单元有影响。,单元操作.单元坐标系,为了改变缺省的单
3、元坐标系，需要建立与单元适应的局部坐标系(CSYS 11 或更大)。过程如下：1.定义一个合适的局部坐标系。位置任意设定。Utility Menu WorkPlane Local Coordinate Systems Create Local CS,单元操作.单元坐标系,2.选择所需要的单元。3.把所有被选单元的单元坐标系，改为第 1 步中定义的局部坐标系号码。Preprocessor Move/Modify-Elements-Modify Attrib或使用 EMODIF 命令(emodif,all,esys,11)4.再度激活所有单元并转回先前坐标系(CSYS)。,单元操作.单元坐标系,壳
4、单元法线壳单元的法线方向。定义外表面和内表面。由定义单元的节点顺序(I-J-K-L)和内表面决定。,有时需要改变某些单元的法线来匹配模型中剩余的部分。在 Powergraphics 模式中，用不同的颜色来表示外表面和内表面。,单元操作.单元坐标系,改变壳单元法线的两种方法：改变下表面法线方向或改变单元本身改变下表面：Preprocessor Move/Modify-Areas-Area Normals接着，用“正确”方位拾取面，ANSYS会扫描每个面并把与拾取面不匹配的面翻转。相接触的单元也被翻转（缺省执行）。,单元操作.单元坐标系,直接翻转壳单元：Preprocessor Move/Modi
5、fy-Elements-Shell Normals或 执行ENORM,P接着用“正确”方位拾取单元。,单元操作.单元坐标系,演示:进入 前处理PREP7，恢复文件 pipe.db(对 IGES 文件输入模型划分网格；注意一些壳是颠倒的)。Move/Modify Shell Normals(或执行 ENORM,P)拾取一个紫色单元再列单元和节点正确方位。,单元操作B.表面效应单元,怎样施加如下的压力荷载：如剪切荷载一样与表面相切的荷载?如螺栓产生的压力荷载，在表面上变化的荷载?如屋顶上冰载荷一样与面成某一角度的载荷?表面效应单元为处理这一类问题提供了有效的方法。,单元操作.表面效应单元,特点:象
6、“皮肤”一样覆盖在网格表面如，作用表面载荷的管道很容易创建：选择表面上所需的节点。激活恰当的单元类型。执行 ESURF(或 Preprocessor Create Elements Surf Effect.选择所有节点。,单元操作.表面效应单元,对 2-D和 3-D模型都有用:SURF151、153 是线单元(热和结构)，表示 2-D模型的边。F152、154 是面单元(热和结构)，表示 3-D 模型的面。本节只讨论 SURF154，其他单元可以同样处理。,SURF154 同单元参考手册中的描述,单元操作.表面效应单元,SURF154使用不同的单元面号来区分不同的面载荷。面号在“Apply P
7、RES on elems”对话框中指定(Solution-Loads-Apply Pressures On Elements)，如下所示。或用 SFE 命令中的LKEY 参数指定：SFE,ELEM,LKEY,PRES,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4,单元操作.表面效应单元,假设，给SURF154单元施加幅值为1000的压力，它的方向取决于所使用的单元面号。内容 1:法线方向的压力。作用在单元上的绝对值(沿着单元坐标 Z 的方向)。例如：sfe,all,1,pres,1000(选定所要的单元之后)。,单元操作.表面效应单元,内容2和3：切向压力，分别沿着单元坐标系的X方向和Y方向例如:s
8、fe,eflat,3,pres,1000sfe,eslope,2,pres,1000(eflat 和 eslope由单元构成),单元操作.表面效应单元,内容 4:法向压力，线性变化的压力。数值=P1+XgP2+YgP3+ZgP4P1-P4 由 VAL1-VAL4 值指定（SFE 命令）Xg,Yg,Zg 是单元积分点的总体直角坐标。P2,P3,P4 分别是总体坐标系中的斜率，如缺省均为 P1正值作用到单元里(沿单元坐标的 Z 方向)。,P2,Xg=0,P1,单元操作.表面效应单元,内容4(续):例如,施加一沿X方向、大小从200到1000的线性变化的压力，作用范围在X 轴上的-2到+2斜率 P2
9、=(1000-200)/4=200;P3=0;P4=0P1 是在 Xg=0处的值，按 P1=2(200)+200=600计算。sfe,eflat,4,pres,600,200,0,0,单元操作.表面效应单元,内容 5P1数值的压力矢量。方向=P2,P3,P4 现在代表矢量的方向余弦（在全局笛卡尔坐标系中），对数值无影响。例如：sfe,eflat,5,pres,1000,-1,-1,0 定义了 X-Y面内45度方向的压力,单元操作.表面效应单元,内容5(续):压力矢量的数值也依赖 KEYOPT(11)。KEYOPT(11)=0(缺省)和 1 给单元的投影面施加压力。对螺栓产生的压力荷载有用(或销
10、钉荷载)。例如：sfe,ecurv,5,pres,1000,0,-1,0 在曲面上定义一个螺栓压力荷载。如下边等值图所示。,单元操作.表面效应单元,KEYOPT(11)=2 对整个面施加压力。对倾斜的面荷载(如屋顶)或风载荷有用。如：sfe,eslope,5,pres,1000,0,-1,0 对整个斜面定义了完全相同的压力。如下图所示,单元操作.表面效应单元,其他表面效应单元的应用:实体单元的扭矩借助修改的单元坐标系施加切线荷载。对轴和螺栓非常适用。热荷载(SURF151、152)包括：传递到一维管道单元 FLUID116 的热量。面热量损耗的计算。辐射。,单元操作.表面效应单元,演示:进入前
11、处理 PREP7，恢复文件 boltload.db。添加 SURF154 作为单元类型 1(显示选项)。选择孔的底面和与之接触的节点。激活类型 1，执行 ESURF操作建立表面单元。选择 everything，并列出单元。选择类型1单元，对面 5 施加压力：value=1000,val2=0,val3=-1,val4=0选择 everything,保存数据库文件，求解在POST1中列 Y方向的应力。停留在 POST1中(下一个演示)。,单元操作C.单元表,单元表，在通用后处理中使用，有两个功能：对结果数据做算术运算访问一些不能直接得到的结果数据(如，对一些线性单元)单元表象一个电子数据表:每一
12、行描绘一个单元每一列由单元的数据构成,单元操作.单元表,一个单元表的标准形成过程由下列几个步骤构成：首先选择需要的单元把结果数据装入表中列出或绘出数据执行所想要的算术运算 GUI方式下的 General Postproc Element Table中给出了单元表的功能,单元操作.单元表,选择想要的单元许多情况下，只需要对模型中部分单元建立单元表。第一步挑选想要的单元：按照属性(MAT,TYPE,REAL,or ESYS)按照相关的节点按照连接的实体按照结果等等,单元操作.单元表,给单元表添加结果数据明确想要添加的数据项，并给它一个名字或标号，名字或标号用来列出、绘图或对数据进行操作。使用 ET
13、ABLE 命令(例如，etable,evolume,volu)或 Element Table Define Table,单元操作.单元表,一些数据只能用序列号识别，序列号在单元参考手册中提供。例如，SURF154单元 5 号面上的有效压力，序列号为“SMISC 17。”。把SURF154 添加到单元表:etable,p5,smisc,17请参考基本分析过程手册(可网上浏览)，序列号方法的细节,单元操作.单元表,列出或绘图单元表数据Element Table List Elem Table(或 PRETAB 命令),单元操作.单元表,Element Table Plot Elem Table(或
14、 PLETAB,name),单元操作.单元表,缺省情况，并不求节点数据的平均值。每一个单元有一种颜色，为了得到平滑的等值图，可使用求平均值。,单元操作.单元表,注意，每个单元的每个数据项只有一个值：即该单元的平均值或有效值。例如，如果把节点的位移 UX添加到单元表，单元节点的平均值 UX 就被存储到每个单元。检查单元表数据的其它方法：把数据映射到一个路径上，绘出路径图或列出数据。可以添加3个标量(如单元 x 方向的压力，y 方向的压力，z 方向的压力)，合并他们获得矢量图。参看 PLVECT 命令。,单元操作.单元表,执行操作类似电子数据表，可以在单元表的列间进行算术运算。一些有用的操作：两列
15、相加(SADD)。乘(SMULT)。比较和保存两列的最大值和最小值(SMAX 或 SMIN)。列求和（SSUM 对所选单元的相应总量的计算很有用）。等等。,单元操作.单元表,例如:,单元操作.单元表,如果没有想要的操作，可以把单元表中的项装入数组参数，使用数组操作。使用*VGET 命令（或 Utility Menu Parameters Get Array Data)。接着使用一个数组操作：*VOPER,*VSCFUN,等。例如，平均值，标准偏差，这些统计量用单元表无法计算，但可以用数组计算。,单元操作.单元表,更新单元表如果读入不同的载荷步数据或从不同的结果文件读入数据，单元表不会自动更新。
16、,执行 ETABLE,REFL(或在单元表数据对话框中点击 Update 按钮)来“填充”或更新单元表。用“current”或“previous”表示数据项的状况。,单元操作.单元表,既然单元表不能自动更新，那么就很容易比较两个载荷步的结果或两个不同的分析,如下所示：读入载荷步 1 的数据，用A1保存到单元表。接着读入载荷步 2 的数据，用A2保存到单元表。现在可以比较 A1 和 A2，把最大值和最小值保存到第三列，或进行其它想要的操作。这个方法可以被扩展，用来比较同一模型的不同结果文件。,单元操作.单元表,单元表的保存和删除：通过保存ANSYS数据库来保存单元表:在POST1 中保存数据库(
17、Toolbar SAVE_DB 或用 SAVE 命令)。退出ANSYS时，使用“Save everything”选项(Toolbar QUIT 或用/EXIT,ALL 命令)。删除整个单元表：Element Table Erase Table或用命令 ETABLE,ERASE删除单元表中的一项（列）:使用单元表数据对话框中的 Delete 按钮。或用命令 ETABLE,name,ERASE,单元操作.单元表,演示:继续前面的“bolthole”演示。选择 TYPE 1 单元(SURF154s)和所有与它们连接的节点。打开 SURF154 的帮助，显示“Output Definitions”和“
18、Item and Sequence Numbers”tables。注意P5EFF(面5上的有效压力)是 SMISC 17。在单元表中以 P5的名字保存 SMISC,17,用平均和不平均画图和列表。选择 everything,返回前处理 PREP7,设置 SURF154(Options K11=full area w/tan)单元的 KEYOPT(11)=2，这将把5号面的压力改成 整个面以取代凸面。进入求解器，键入 ANTYPE，RESTART(继续进行载荷步2)求解。在 POST1中,读入载荷步2,接着选择类型 1 单元(SURF154s)和所有与它们连接的节点。在单元表中以P5A 的名字保存 SMISC,17。(注意前面载荷步的P5依然存在)列单元表 P5A 显示列。选择 everything，列 SY 应力,等。与载荷步1的结果进行比较。,单元操作D.练习,本练习包括：W3.螺钉扭转请参考练习附录。,
