有限元分析中单元类型的选择.docx

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有限元分析中单元类型的选择

有限元分析中单元类型的选择

王鑫;麦云飞

【摘要】有限元分析（FEA,FiniteElementAnalysis）为解决复杂的工程分析、计算问题提供了有效的途径,为新产品的开发提供了最佳的优化方案.一个有限元模型分析的成败关键在于有限元分析的前处理,计算以及后处理,其中前处理中单元类型的选择尤其重要,直接决定着分析的精度与效率,对此以ANSYS为例分析探讨了在建立有限元分析模型时单元类型的选择,为新产品的设计提供了参考.

【期刊名称】《机械研究与应用》

【年（卷）,期】2009（022）006

【总页数】4页（P43-46）

【关键词】ANSYS;单元类型;FEA

【作者】王鑫;麦云飞

【作者单位】上海理工大学,机械工程学院,上海,200093;上海理工大学,机械工程学院,上海,200093;上海理工机械制造及自动化研究所,上海,200093

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

研夯与分析有限元分析中单元类型的选择王鑫1，麦云飞1,2（

1．上海理工大学机械工程学院，上海200093；

2．上海理工机械制造及自动化研究所，上海200093）摘要：

有限元分析（FEA,FiniteElementAnalysis）为解决复杂的工程分析、计算问题提供了有效的途径，为新产品的开发提供了最佳的优化方案。

一个有限元模型分析的成败关键在于有限元分析的前处理，计算以及后处理，其中前处理中单元类型的选择尤其重要，直接决定着分析的精度与效率，对此以ANSYS为例分析探讨了在建立有限元分析模型时单元类型的选择，为新产品的设计提供了参考。

关键词：

ANSYS；单元类型；FEA中图分类号：

TP311文献标识码：

A文章编号：

1006-4414（2009）06-0043-04ThechoiceofelementtypeinFEAWangXin',MaiYun-fej"2（1.SchoolofmecharLicalengineering,UniversityofShanghaiforscienceandtechnology,Shanghai200093,China;2.ShanghaiInstitrUeofmechanicalmanufacture&arUomatization,Universityofforscien.ceandtechnology,Shanghai200093,China）Abstract:

Atpresentthefiniteelementanalysis（FEA,FiniteElementAnalysis）isappliedinmassiveprojectdomain,inor-dertosolutecomplexprojectanalysis,whichprovidestheeffectivewayandalsoproyidethebestoptimizationplanforthenewproduct'sdevelopment.Thesuccessfulkeyofafiniteelementmodelanalysisliesinthepreprocessoranalysis,computationaswellaspost-processing,theelementtypechoiceinpreprocessorisespeciallyimportant,whichdirectlydecidesanalyzingprecisionandefficiency,therefore,inthearticle,takingANSYSastheexample,thechoiceofelementtypeisdiscussedwhentheestablishmentfiniteelementmodelisbuiltandasloprovidethereferencesfornewproductdesign.Keywords:

ANSYS;elementtype;FEAl引言要建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备，要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。

近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效途径。

在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下方面：

①增加设计功能，减少设计成本；②缩短设计和分析的循环周期；③增加产品和工程的可靠性；④采用优化设计，降低材料的消耗或成本；⑤在产品制造、工程施工前预先发现潜在问题；⑥模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；⑦进行机械事故分析，查找事故原因。

从自行车到航天飞机，所有设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视¨j。

FEA-般包括前处理、计算、后处理三个步骤其中前处理的好坏直接影响到后面的计算，前处理中单元类型的选择直接决定着分析的精度与效率，面对纷繁复杂的工程问题，工程师们建立了各种各样的单元类型，如何在解决实际工程问题中恰当的选择合适的单元类型，需要经验与知识的积累，本文针对常用有限元软件ANSYS与有限元理论中常用单元类型以及日常工程项目中的实际经验相结合，探讨了各单元类型的适用范围与工程问题中如何正确选择合适的单元类型，从而使在今后的有限元分析中少走弯路。

2单元分类单元类型的选择，跟你要解决的问题本身密切相关。

在选择单元类型前，首先要对问题本身有非常明确的认识，然后，对每一种单元类型，每个节点的自由度数，特性，使用条件在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。

（l）按形状分类，如图1~3所示。

点单元：

MASS；线单元：

LINK、BEAM、COMBIN；面单元：

PLANE、SHELL。

（2）按单元阶次分类：

线性单元：

对于结构分析问题，单元内的位移数值按线性变化，因而每个单元内的应力状态是保持不变的；二次单元：

对于结构分收稿日期：

2009-09-09作者简介：

王鑫（1984-），男，宁夏石嘴山人，研究方向：

CAE有限元仿真分析。

·43·王鑫1，麦云飞1,2（．上海理工大学机械工程学院，上海200093；2．上海理工机械制造及自动化研究所，上海200093）要：

有限元分析（FEA,FiniteElementAnalysis）为解决复杂的工程分析、计算问题提供了有效的途径，为新产品的开发提供了最佳的优化方案。

一个有限元模型分析的成败关键在于有限元分析的前处理，计算以及后处理，其；单元类型；FEA中图分类号：

TP311文章编号：

1006-4414（2009）06-0043-04choiceofelementtypeinFEAWangXin',MaiYunfej"2（1.SchoolofmecharLicalengineering,UniversityofShanghaiforscienceandtechnology,Shanghai200093,China;2.ShanghaiInstitrUeofmechanicalmanufacture&arUomatization,Universityofforscien.ceandtechnology,ShanghaiChina）Abstract:

Atpresentthefiniteelementanalysis（FEA,FiniteElementAnalysis）isappliedinmassiveprojectdomain,inor-dertosolutecomplexprojectanalysis,whichprovidestheeffectivewayandalsoproyidethebestoptimizationplanforthenewproduct'sdevelopment.successfulkeyofafiniteelementmodelanalysisliesinthepreprocessoranalysis,computationaswellaspost-processing,theelementtypechoiceinpreprocessorisespeciallyimportant,whichdirectlydecidesanalyzingprecisionandefficiency,therefore,inthearticle,takingANSYSastheexample,thechoiceofelementtypeisdiscussedwhentheestablishmentfiniteelementmodelisbuiltandasloprovidethereferencesfornewproductdesign.Keywords:

ANSYS;elementtype;FEAl引言要建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备，要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。

近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效途径。

在工程实践中，有限元分析软件与跃，主要表现在以下方面：

①增加设计功能，减少设计成本；②缩短设计和分析的循环周期；③增加产品和工程的可靠性；④采用优化设计，降低材料的消耗或成本；⑤在产品制造、工程施工前预先发现潜在问题；⑥模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；⑦进行机械事故分析，查找事故原因。

从自行车到航天飞机，所有设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视¨j。

元类型的选择直接决定着分析的精度与效率，面对纷繁复杂的工程问题，工程师们建立了各种各样的单元类型，如何在解决实际工程问题中恰当的选择合适的单元类型，需要经验与知识的积累，本文针对常用有限元软件ANSYS日常工程项目中的实际经验相结合，探讨了各单元类型的适用范围与工程问题中如何正确选择合适的单元类型，从而使在今后的有限元分析中少走弯路。

2在选择单元类型前，首先要对问题本身有非常明确的认识，然后，对每一种单元类型，每个节点的自由度数，特性，使用条件在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。

PLANE、SHELL

（2）按单元阶次分类：

线性单元：

对于结构分析问题，单元内的位移数值按线性变化，因而每个单元内的应力状态是保持不变的；二次单元：

对于结构分收稿日期：

2009-09-09作者简介：

王鑫（1984-），男，宁夏石嘴山人，研究方向：

CAE有限元仿真分析。

·43研究与分析一·机械研究与应用‘，析问题，单元内的位移数值按二次函数变化，因此每个单元内的应力状态是线性变化的；P单元：

对于结构分析问题，单元内的位移数值按二阶到八阶函数变化，而且具有求解收敛自动控制功能，自动确定各位置上应采用的函数阶数‘2】如图4所示。

Z，．L．。

，图lMass单元图2beam单元图3Solid单元单元阶次直接影响单元形函数的阶次，一般说来，形函数阶次越高，计算结果越精确，因而，同线性单元相比，采用高阶的单元类型可以得到相对较好的计算结果。

线性单元，二次单元和P单元的使用，需注意以下问题。

（1）单元阶次的选择使用需在计算精度和计算规模间综合衡量

（2）线性单元的严重扭曲变形可能引起计算精度下降，而更高阶的单元对这种变形扭曲不敏感，此时可考虑使用高阶单元。

（3）对于模型中，有曲边或曲面存在时，通常推荐使用高阶单元，已获得较高的曲面精度。

（4）对于非线性问题，高阶单元并不比线性单元更有效。

（5）单元阶次对求解的精度影响，相对平面单元和三维实体单元之间简化的差别来说影n向要小的多，.4

4．因而使用线性单元的场合比较多。

（6）对于大多数高阶单元都允许忽略部分或所有边的中节点（MIDSIDENODE），在没有中节点的边界只能得到线性结果，如果忽略了全部中节点，此时高阶单元则转化为线性单元，计算精度也随之降低，如图5所示‘3.4】图4按单元阶次划分图5高阶单元转换线性单元3单元介绍3.1点单元几何形状为点型的结构，可用以下单元模拟，如图6所示。

MASS单元主要用于动力学分析质量块结构的模拟‘5]3.2线单元几何形状为线型的结构，可以用以下单元模拟，如图7、8所示。

Link单元用于桁架、螺栓、螺杆等连接件的模拟。

Beam单元用于梁、螺栓、螺杆、连接件等的模拟。

Pipe单元用于管道、管件等结构的模拟；Combin单元用于弹簧，细长构件等的模拟。

3.3面单元几何形状为面型的结构，可用以下单元模拟。

（1）SHELL单元：

主要用于薄板或曲面结构的‘析问题，单元内的位移数值按二次函数变化，因此每个单元内的应力状态是线性变化的；P单元：

对于结构分析问题，单元内的位移数值按二阶到八阶函数变化，而且具有求解收敛自动控制功能，自动确定各位置上应采用的函数阶数‘2】ZL．。

图lMass单元图2beam单元3Solid单元单元阶次直接影响单元形函数的阶次，一般说来，形函数阶次越高，计算结果越精确，因而，同线性单元相比，采用高阶的单元类型可以得到相对较好的计算结果。

线性单元，二次单元和P单元的使用，需注意以下问题。

（2）线性单元的严重扭曲变形可能引起计算精度下降，而更高阶的单元对这种变形扭曲不敏感，此时可考虑使用高阶单元。

（3）对于模型中，有曲边或曲面存在时，通常推荐使用高阶单元，已获得较高的曲面精度。

（4）对于非线性问题，高阶单元并不比线性单元更有效。

（5）单元阶次对求解的精度影响，相对平面单元和三维实体单元之间简化的差别来说影n向要小的多，.44（6）对于大多数高阶单元都允许忽略部分或所有边的中节点（MIDSIDENODE），在没有中节点的边界只能得到线性结果，如果忽略了全部中节点，此时高阶单元则转化为线性单元，计算精度也随之降低，如图5所示‘3.4】4按单元阶次划分3单元介绍3.1点单元几何形状为点型的结构，可用以下单元模拟，如6所示。

MASS单元主要用于动力学分析质量块3.2线单元几何形状为线型的结构，可以用以下单元模拟，如图7、8所示。

Link单元用于桁架、螺栓、螺杆等连接件的模拟。

Beam单元用于梁、螺栓、螺杆、连接件等的模拟。

Pipe单元用于管道、管件等结构的模拟；Combin3.3面单元几何形状为面型的结构，可用以下单元模拟。

机械研究与应用模拟，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。

COMEIN39LINK1REPRESERTATINEFINITELEMENTMODELS图6MASS单元模拟图7LINK单元模拟图8PIPE单元模拟

（2）PLANE单元：

用于总体直角坐标系下X-Y平面内结构的应力、应变、轴对称问题，其中平面应变适用于如图9所示状态中。

Z方向上的几何尺寸远远大于X和y方向上尺寸的情况。

Z方向上的应变为0，但应力不为0。

所有的在和均作用在XY平面内。

仅允许XY平面内的运动。

在Z方向具有无线厚度。

莲图9PLANE单元实例轴对称适用于X-Y面内的横截面绕y轴旋转3600所形成的三维实体结构，利用对称性只需建立X-Y平面内的横截面模型，不允许在-X方向有模型结构，坐标轴规定：

x方向是径向，l，方向是轴向，Z方向是周向，周向位移是0，而周向应力、应变十分明显只能考虑轴向载荷。

3.4体单元几何形状为体型的结构，可用SOLID单元模拟，主要用于三维实体结构的模拟。

4单元类型选择方法ANSYS的单元库提供了100多种的单元类型，单元类型选择的工作就是将单元的选择范围缩小到少数几个单元上，通常采用以下方法。

（1）设定物理场过滤菜单，将单元全集缩小到该物理场涉及的单元‘6】

（2）根据模型的几何形状选定单元的大类，如线性结构则只能用“LINK、BEAM、PIPE和COMBIN”这类单元去模拟，面结构则只能用“PLANE、SHELL”单元去模拟。

（3）根据模型结构的空间维数细化单元类别，如确定为“BEAM”单元大类后，在对话框的右栏中有“2D”“3D”的单元分类，则根据结构的维数继续缩小单元类型的选择范围。

（4）确定单元的大类后，有时也可以根据单元的阶次来细分单元的小类，如确定为“SOLID-QUAD”，此时有四种单元类型：

①QUAD4node42；②QUAD4node183;③QUAD8node82;④QUAD8node183.前两组为低阶单元，后两组则为高阶单元。

如图10所示。

图10高低阶单元（5）根据单元的形状细分单元的小类，如对三维实体，此时则可以根据单元形状是“六面体”还是“四面体”，确定单元类型为“BRICK”还是“TET”。

·45·REPRESERTATINEFINITELEMENT单元模拟7LINK8PIPE单元模拟

（2）PLANE单元：

用于总体直角坐标系下X-Y平面内结构的应力、应变、轴对称问题，其中平面应变适用于如图9所示状态中。

Z方向上的几何尺寸远远大于X和y方向上尺寸的情况。

Z方向上的应变为0内。

仅允许XY平面内的运动。

在Z方向具有无线莲9单元实例平面内的横截面模型，不允许在-X方向有模型结构，坐标轴规定：

x方向是径向，l，方向是轴向，Z方向是周向，周向位移是0，而周向应力、应变十分明显3.4体单元几何形状为体型的结构，可用SOLID单元模拟，少数几个单元上，通常采用以下方法。

（1）设定物理场过滤菜单，将单元全集缩小到该物理场涉及的单元‘6】“LINKBEAMPIPE和COMBIN”PLANE单元去模拟。

确定为单元大类后，在对话框的右栏中有2D3D的单元分类，则根据结构的维数继续缩小SOLIDQUAD此时有四种单元类型：

①QUAD4node42；②QUAD4node183;③QUAD8node183.前两组为低阶单元，后两组则为高阶单元。

如图10高低阶单元六面体还是四面体确定单元类型为BRICKTET45（6）根据分析问题的性质选择单元类型，如确定为2D的BEAM单元后，此时有三种单元类型可供选择：

2Delastic3,2Dplastic23,2Dtapered540根据分析问题是弹性还是塑性确定是“BEAM3”或“BEAM4”，若是变截面的非对称的问题则用“BEAM54”如图11所示。

图11Beam54单元示意图（7）进行完前面的选择工作，单元类型基本就已经定位在2、3种单元类型上了，接下来打开这几种但愿的帮助手册，进行以下工作：

①仔细阅读其单元描述，检查是否与分析问题的背景吻合；②了解单元所需输入参数，单元关键项和载荷考虑；③了解单元的输出数据；④仔细阅读单元使用限制和说明”15结语总之，单元类型的选择，跟你要解决的问题本身密切相关。

在选择单元类型前，首先你要对问题本身有非常明确的认识，对工程问题所处的环境有清晰的认识，然后，对于每一种单元类型，每个节点有多少个自由度，它包含哪些特性，能够在哪些条件下使用，在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。

多与实践相结合，不断的积累经验，这样在工程计算中才能做到事半功倍。

参考文献：

[1]李楚琳，张胜兰，基于HyperWorks的结构优化设计[M].北京：

机械工业出版社，2007.[2]张国瑞，有限元法[M]．北京：

机械工业出版社，1991.[3]（美）SaeedMoaveni.有限元法分析：

ANSYS理论与应用：

theoryandapplicationwithANSYS[M]．北京：

电子工业出版社，2008.[4]陆仲绩．有限元分析的基本过程和单元选择[J].煤矿机电．1993（4）：

50-54.[5]邓凡平．ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京：

人民邮电出版社，2007.[6]ANSYS单元库ansys10．O帮助[M].北京：

机械工业出版社，2008.[7]陈珏，仿真在线[IcB/OL]．20011219/200112190019.html.【上接第36页）整体货厢应力，侧板骨架应力云图如图7所示，底板骨架应力云图如图8所示。

侧板和底板面板的应力都在60MPa以内，最大应力出现在翻转支座附近的纵横梁连接处，有几处已达到或者略微超过材料的屈服极限，这与该车实际损坏情况基本一致，这些应力大的位置在实际中经常出现焊接处开裂的现象。

5结语

（1）文中推导出的式

（1）一（5）与经典土力学中涉及挡土墙侧向压力的主动土压力计算公式形式上是一致的，只是用安息角表示，在专用车设计时使用更为方便。

上接第39页）[4]BabuskaI,