ANSYS梁殼單元及其在FEA中的應用

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

ANSYS功能強大的梁殼單元是ANSYS的特色之一,在有限元仿真分析中使用ANSYS提供的梁殼單元,能大大提高求解效率并能保證工程精度要求。

一梁單元特性及應用

梁單元用來建立三維結(jié)構(gòu)的數(shù)學上理想化的一維有限元模型,與實體單元和殼單元相比,使用梁單元可以提高求解效率。ANSYS提供了多種梁單元庫以適應不同的需要,其中Beam44為3-D 漸變非對稱截面梁,Beam188和Beam189為3-D有限應變梁,ANSYS的梁單元在非線性分析方面具有先進性和魯棒性的獨特優(yōu)勢。

1.3D真實描述
梁單元在空間上是一維的線單元,單元特性和截面屬性是相互獨立的,通過指定截面編號,一維的梁單元就可以描述真實的三維空間結(jié)構(gòu),并且ANSYS可以以三維的形式顯示分析結(jié)果。ANSYS提供了11種常用的截面形狀,并允許用戶定制截面形狀,用戶可以利用二維建模的方式創(chuàng)建新截面,并可以把定制的截面形狀保存在截面形狀庫中。

2.變截面梁
ANSYS允許定義任意截面形狀,允許單元的每一端具有不同的不對稱幾何形狀,并允許其端節(jié)點從梁的中心軸偏移。

3.梁單元的預應力
ANSYS的梁單元可以考慮預應力產(chǎn)生的應力剛化效應。所謂應力剛化效應對于梁單元來說就是軸向應力引起的垂直軸向的剛度變化。

4.復合材料截面
ANSYS可以定義任意幾何形狀由多個各向同性材料組成的橫截面,可以用來模擬層狀復合材料梁,長纖維增強復合材料梁和傳感器等。

5.考慮剪切變形和翹曲的影響
ANSYS的梁單元基于鐵木辛柯梁理論,在平面假設的基礎上可以考慮剪切變形的影響。ANSYS的梁單元還可以考慮非圓截面梁扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的翹曲影響,這時每個端節(jié)點有7個自由度,包括3個平動,3個轉(zhuǎn)動和一個翹曲自由度。Shell188和Shell189單元不僅能模擬直梁的彎曲剪切響應,而且能模擬橫向—扭轉(zhuǎn)屈曲行為(特征屈曲和非線性崩塌)。

6.支持非線性材料本構(gòu)模型
ANSYS的梁單元支持彈性(線彈性和非線性彈性),塑性和蠕變等材料本構(gòu)模型。

二殼單元特性及應用

殼單元用來創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)的二維理想化模型,用殼單元模擬殼狀結(jié)構(gòu)比用實體單元具有更高的計算效率。ANSYS提供了功能強大的殼單元,如3-D有限應變殼單元Shell181,具有更魯棒的非線性分析能力,在橫截面數(shù)據(jù)定義和分析結(jié)果查看方面也有很大提高。Shell131和Shell132為3-D層狀殼單元,并具有面內(nèi)和厚度方向的熱傳導能力。

1.橫向剪切
Shell181可以考慮橫向剪切變形效應,假設剪應變遵守Bathe-Dvorkin公式,橫向剪切剛度為一階張量,用戶可以自己定義橫向剪切剛度各分量,這對分析三明治殼體結(jié)構(gòu)很有效。

2.支持非線性材料本構(gòu)模型
ANSYS的殼單元支持彈性(線彈性和非線性彈性),塑性和蠕變材料本構(gòu)模型。

3.層狀復合材料結(jié)構(gòu)
ANSYS的殼單元可以模擬層合板復合材料結(jié)構(gòu)或三明治結(jié)構(gòu),分析精度由一階剪切變形理論(Mindlin-Reissner 理論)控制。每層材料具有任意的厚度、材料性質(zhì)、材料方向和失效準則等,定義方便。對分析類型沒有限制,可進行靜力、動力、線性和非線性分析,并能以三維真實形狀顯示分析結(jié)果,逐層查看纖維排布和分析結(jié)果。

4.復雜殼截面的定義
ANSYS允許定義變厚度的殼體結(jié)構(gòu),通過表格函數(shù)的形式定義空間任一位置的厚度。

5.Solid-shell(實體殼)單元
Solsh190為3-D8節(jié)點實體殼單元,是一種看上去象實體的殼單元,可以模擬從薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu),薄殼結(jié)構(gòu)無需抽中面,直接劃分單元,只需一層Solid-shell單元,并能保證精度。在橫截面厚度急劇變化的結(jié)構(gòu)中,用Solid-shell單元連接其他實體單元可以保證收斂和求解精度。這種結(jié)構(gòu)航空工業(yè)中是較常見的結(jié)構(gòu)形式,如蒙皮和結(jié)構(gòu)連接件。該單元支持超彈性,塑性和蠕變等非線性材料本構(gòu)模型,還支持大變形,大應變和應力剛化效應。

三結(jié)論

ANSYS的梁、殼單元庫提供了類型豐富的單元用來模擬工業(yè)中常見的各種梁和薄壁殼體結(jié)構(gòu),ANSYS的梁殼單元不僅可以模擬彈性和小變形的線性行為,而且可以模擬各種材料非線性(如超彈性、塑性、蠕變等)、幾何非線性行為(如大變形和應力剛化等)和動力學行為。使用ANSYS的梁、殼單元,可以在保證工程精度要求的前提下,大大提高分析效率。

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