ANSYS梁殼單元及其在FEA中的應(yīng)用

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

ANSYS功能強(qiáng)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?jiǎn)卧匦约皯?yīng)用

梁?jiǎn)卧脕?lái)建立三維結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)上理想化的一維有限元模型,與實(shí)體單元和殼單元相比,使用梁?jiǎn)卧梢蕴岣咔蠼庑省NSYS提供了多種梁?jiǎn)卧獛?kù)以適應(yīng)不同的需要,其中Beam44為3-D 漸變非對(duì)稱(chēng)截面梁,Beam188和Beam189為3-D有限應(yīng)變梁,ANSYS的梁?jiǎn)卧诜蔷€性分析方面具有先進(jìn)性和魯棒性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1.3D真實(shí)描述
梁?jiǎn)卧诳臻g上是一維的線單元,單元特性和截面屬性是相互獨(dú)立的,通過(guò)指定截面編號(hào),一維的梁?jiǎn)卧涂梢悦枋稣鎸?shí)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(hù)定制截面形狀,用戶(hù)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(kù)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(duì)稱(chēng)幾何形狀,并允許其端節(jié)點(diǎn)從梁的中心軸偏移。

3.梁?jiǎn)卧念A(yù)應(yīng)力
ANSYS的梁?jiǎn)卧梢钥紤]預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力剛化效應(yīng)。所謂應(yīng)力剛化效應(yīng)對(duì)于梁?jiǎn)卧獊?lái)說(shuō)就是軸向應(yīng)力引起的垂直軸向的剛度變化。

4.復(fù)合材料截面
ANSYS可以定義任意幾何形狀由多個(gè)各向同性材料組成的橫截面,可以用來(lái)模擬層狀復(fù)合材料梁,長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)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?jiǎn)卧阼F木辛柯梁理論,在平面假設(shè)的基礎(chǔ)上可以考慮剪切變形的影響。ANSYS的梁?jiǎn)卧€可以考慮非圓截面梁扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的翹曲影響,這時(shí)每個(gè)端節(jié)點(diǎn)有7個(gè)自由度,包括3個(gè)平動(dòng),3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)翹曲自由度。Shell188和Shell189單元不僅能模擬直梁的彎曲剪切響應(yīng),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?jiǎn)卧С謴椥?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(yīng)用

殼單元用來(lái)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(shí)體單元具有更高的計(jì)算效率。ANSYS提供了功能強(qiáng)大的殼單元,如3-D有限應(yīng)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(dǎo)能力。

1.橫向剪切
Shell181可以考慮橫向剪切變形效應(yīng),假設(shè)剪應(yīng)變遵守Bathe-Dvorkin公式,橫向剪切剛度為一階張量,用戶(hù)可以自己定義橫向剪切剛度各分量,這對(duì)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)
ANSYS的殼單元可以模擬層合板復(fù)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(zhǔn)則等,定義方便。對(duì)分析類(lèi)型沒(méi)有限制,可進(jìn)行靜力、動(dòng)力、線性和非線性分析,并能以三維真實(shí)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(fù)雜殼截面的定義
ANSYS允許定義變厚度的殼體結(jié)構(gòu),通過(guò)表格函數(shù)的形式定義空間任一位置的厚度。

5.Solid-shell(實(shí)體殼)單元
Solsh190為3-D8節(jié)點(diǎn)實(shí)體殼單元,是一種看上去象實(shí)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(wú)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(shí)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(jiàn)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(yīng)變和應(yīng)力剛化效應(yīng)。

三結(jié)論

ANSYS的梁、殼單元庫(kù)提供了類(lèi)型豐富的單元用來(lái)模擬工業(yè)中常見(jiàn)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(yīng)力剛化等)和動(dòng)力學(xué)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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