有限元分析中常用单元类型与单位制.docx

1、有限元分析中常用单元类型与单位制ANSYS吉构分析之单元速查LINK1可承受单轴拉压的单元，不能承受弯矩作用PLANE22维6节点三角形实体结构单元，可用作平面单元（平面 应力或平面应变），也可以用作轴对称单元Beam3可承受拉、压、弯作用的单轴单元，每个节点有三个自由 度，即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移Beam4承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元，每个节点上有六个 自由度：x、y、z三个方向的线位移和绕x,y,z三个轴的 角位移SOLID5三维耦合场体单元，8个节点，每个节点最多有6个自由 度LINK8三维杆（或桁架）单元，用来模拟：桁架、缆索、连杆、 弹簧等等，是杆轴方向的拉压单兀，

2、每个节点具有三个自 由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动PLANE132维耦合场实体单元，有4个节点，每个节点最多有4 个自由度PLANE254节点轴对称谐波结构单元，用于承受非轴对称载荷的 2维轴对称结构的建模LINK32二维热传导杆单元，应用在二维（板或轴对称）稳态或瞬 态热分析PLANE352维6节点三角形热实体单元，用作平面单元或轴对称 单元PLANE422维实体结构单兀，作平面单兀（平面应力或平面应变）， 也可以用作轴对称单元。本单元有 4个节点，每个节点 有2个自由度，分别为x和y方向的平移Shell434节点塑性大应变单元，适合模拟线性、弯曲及适当厚度 的壳体结构。单元中每个节

3、点具有六个自由度：沿xy和z 方向的平动自由度以及绕x、y和z轴的转动自由度PLANE532维8节点磁实体单元，用于2维（平面和轴对称）磁 场问题的建模PLANE552维4节点热实体单元，作为平面单元或轴对称环单元， 用于2维热传导分析。本单元有4个节点，每个节点只 有一个自由度-温度Shell63弹性壳单元，具有弯曲能力和又具有膜力，可以承受平面 内荷载和法向荷载。本单元每个节点具有 6个自由度：沿 节点坐标系X、丫、Z方向的平动和沿节点坐标系 X、Y、Z 轴的转动SOLID643-D各向异性结构实体单元，用于各向异性实体结构的3D 建模。单元有8个结点，每个结点3个自由度，即沿x、y、z的

4、平动自由度SOLID65用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型可具 有拉裂与压碎的性能PLANE672维热-电耦合实体单元，有4各节点，每个节点两个自 由度：温度和电压PLANE754节点轴对称谐波热单元，作轴对称环单元，具有 3维 热传导能力。本单元有4个节点，每个节点只有一个自 由度-温度TEMPPLANE772维8节点热实体单元，2维4节点热单元（PLANE55） 的高阶版本。每个节点只有一个自由度 -温度PLANE788节点轴对称-谐波热单兀，轴对称环单兀，具有 3维热 传导能力。本单元有8个节点，每个节点只有一个自由 度-温度TEMPPLANE822维8节点结构实体单元，是2

5、维4节点单元 （PLANE42）的高阶版本。对于四边形和三角形混合网格， 它有较高的结果精度；可以适应不规则形状而较少损失精 度。本8节点单元具有一致位移形状函数，能很好地适 应曲线边界PLANE838节点轴对称谐波结构实体单元，非轴对称载荷的 2维轴对称结构的建模，有8个节点，每个节点有三个自由 度-节点在x, y 和z方向的平移。对于未转动的节 点坐标，其方向分别对应径向、轴向和切线方向 （圆周方向）PLANE1212维8节点静电单元。本单元每个节点只有一个自由度： 电压，用于2维静电场分析PLANE1452维四边形结构实体p单元，支持最多8阶多项式，用 作平面单兀（平面应力或平面应变）或

6、作为轴对称单兀PLANE1462维三角形结构实体p单元，支持最多8阶多项式，作 平面单兀（平面应力或平面应变）或作为轴对称单兀PLANE162显式动力2维结构实体，用于平面问题，也可用于轴对 称问题。本单元有4个节点，每个节点6个自由度：节 点在x和y方向的平移、速度和加速度PLANE182单元限制2维4节点结构单元，可用作平面单元（平面 应力、平面应变或广义平面应变），也可作为轴对称单兀， 具有塑性、超弹性、应力刚度、大变形和大应变能力，并 具有力-位移混合公式的能力，可以模拟接近不可压缩的弹 塑性材料的变形PLANE1832维8节点实体结构单元，用作平面单元（平面应力、 平面应变和广义平面

7、应变），也可用作轴对称单元。本单 元具有塑性、蠕变、应力刚度、大变形及大应变的能力。并具有力-位移混合公式的能力，可以模拟接近不可压缩 的弹塑性材料的变形Beam1883维线性有限应变梁单元，适合于分析从细长到中等粗短 的梁结构PLANE2232维8节点耦合场单元，2维结构、电、压组和压电分SOLID453-D结构实体单元产品：MP ME ST PR PP ED SOLID45单元说明solid45单元用于构造三维实体结构单元通过8个节点来定义，每个节点有3 个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化,大变形和大应变能力。有用于沙漏控制的 缩减积分选项。有关该单元的细节参

8、看 ANSYS,理论参考中的SOLID45部分。 类似的单元有适用于各向异性材料的 solid64单元。Solid45单元的更高阶单元是 solid95。图45.1 SOLID45几何描述SOLID45输入数据该单元的几何形状、结点位置、坐标系如 图45.1: SOLID45几何描述所 示。该单元可定义8个结点和正交各向异性材料。正交各向异性材料方向对应于 单元坐标方向。单元坐标系方向参见 坐标系部分。单元荷载参见结点和单元荷载部分。压力可以作为表面荷载施加在单元各个 表面上，如图45.1: SOLID45几何描述所示。正压力指向单元内部。可以输 入温度和流量作为单元节点处的体载荷。 节点I处

9、的温度T(l)默认为TUNIF如果不给出其它节点处的温度，则默认等于 T(I)。对于任何其它的输入方式， 未给定的温度默认为TUNIF。对于流量的输入与此类似，只是默认值用零代替了 TUNIF。KEYOPT(1用于指定包括或不包括附加的位移形函数。KEYOPT(5和 KEYOPT(6提供不同的单元输出选项(参见 单元输出部分)当KEY0PT(2)=1时，该单元也支持用于沙漏控制的均匀缩减(1点)积分。 均匀缩减积分在进行非线性分析时有如下好处：相对于完全积分选项而言，单元刚度集成和应力(应变)计算需要更 少的CPU时间，而仍能获得足够精确的结果。当单元数量相同时，单元历史存储记录(.ESAV和

10、.OSAV)的长度约 为完全积分(2X 2X 2)的1/7。非线性分析的收敛性通常远比采用额外位移形状的完全积分要好； 即，KEY0PT(1) = 0, KEY0PT(2) = 0。分析结果不会受(由塑性或其它不可压缩材性引起的)体积锁死的影 响。采用均匀缩减积分有以下缺点： 当采用相同网格进行弹性分析时，结果显然不如完全积分方法精确。采用单层单元时不能很好的得到结构的弯曲特性(例如，一根悬臂梁， 受横向集中力，采用单层单元)。建议采用 4层单元。当采用均匀缩减积分选项时(KEYOPT(2) = 1 -这和SOLID185用 KEYOPT(2) = 1是一样的)，应对总能量(ETABLE命令，

11、SENE标识符)和沙漏造 成的伪能量(ETABLE命令，AENE标识符)进行比较以检查结果的精度。如果沙 漏能与总能量之比小于5%,结果一般是可以接受的。如果该比值超过 5%则需 细化网格。也可以在求解阶段用 OUTPRVENG命令控制总能量和沙漏能。更多说 明见ANSYS理论手册。可用ISTRESS或者ISFILE命令给单元施加初始应力状态。更多信息参见 ANSYSS础分析纸指南中的施加初始应力部分。你也可以用KEYOPT(9) = 1来从 用户子程序中读取初应力USTRESS关于用户子程序的细节，参见ANSYS UPF 指南。在进行几何非线性分析时，可以使用 SOLCONTRQIINCP命

12、令来包含压力 的影响。在线性特征值屈曲分析中自动包括压力载荷刚度效应。 如果需要非对称 的压力载荷刚度效应矩阵，使用 NROP,UNSYMI命令。该单元的输入概要参见SOLID45输入数据摘要.单元输入数据的一般性 描述参见单元输入部分。SOLID45单元输入数据摘要节点I，J, K，L，M，N，O，P自由度UX，UY，UZ实常数HGSTF-沙漏控制因子，仅当 KEYOPT (2) = 1时需要设置。注：有效值为任意正数，默认为1.00建议值为1到10之间。材料参数EX, EY, EZ, PRXY, PRYZ, PRXZ (或 NUXY , NUYZ, NUXZ), ALPX, ALPY ,

13、ALPZ (或 CTEX, CTEY, CTEZ or THSX, THSY , THSZ), DENS, GXY , GYZ, GXZ, DAMP表面载荷压力一表面 1（J-I-L-K ），表面 2（ I-J-N-M ），表面 3（J-K-O-N ），表面 4（K-L-P-O ）, 表面 5（L-I-M-P ），表面 6（M-N-O-P ）体载荷温度T（I），T（J），T（K），T（L），T（M），T（N），T（O），T（P）；FL（I），FL（J），FL（K），FL（L），FL（M），FL（N），FL（O）FL（P） 特殊功能塑性蠕变膨胀应力刚化大变形大应变单元死活自适应下降初始应力输入K

14、EYOPT （1）0 包括附加的位移形函数1 不包括附加的位移形函数KEYOPT （2）积分选项0 依据 KEYOPT（1） 带或者不带附加位移形函数，执行完全积分1 带砂漏控制的均匀缩减积分 , 不带附加的位移形函数 （KEYOPT（1） 自动设 置为 1）KEYOPT（4）单元坐标系0单元坐标系平行于整体坐标系1单元坐标系基于单元 IJ 边KEYOPT（5）额外单元输出0 基本单元解1 在所有积分点上重复基本解2节点应力解KEYOPT（6）额外表面输出0基本单元解1附带表面 I-J-N-M 的表面解2表面 I-J-N-M 和表面 K-L-P-O 的表面解 （表面解只对线性材料可用 ）3附带

15、每个积分点的非线性解4非零压力表面的表面解KEYOPT（9） 初始应力子程序选项（仅适用于直接用 KEYOPT 命令输入时） 0没有用户子程序提供初应力 （默认 ）1 从用户子程序 USTRESS 中读入初始应力数据 （有关用户子程序参见ANSYS UPF指南）SOLID45输出数据与单元结果相联系的结果输出主要有两种方式：节点位移和所有节点结果。附加的单元输出，如 表45.1: SOLID45单元输出定义所示。图45.2: SOLID45应力输出显示了几项结果。单元应力方向平行于单元坐标系。表面应力输出在表面坐标系上，各面上的结果都可得到（ KEYOPT（6）。面IJNM和KLPO的坐标系如

16、图45.1: SOLID45几何描述所示。其他的表面坐标 系遵从类似的定位，即由受压面结点关系确定。表面应力输出仅当满足 单元输出 的条件时可用。一般性的描述参见结果输出。关于如何查看结果，参见ANSYS基 础分析指南。图45.2: SOLID45应力输出（这里显示的应力方向相应于 KEYOPT=0）当KEYOPT（2）=1 （单元采用均匀缩减积分），单元积分点上所有的输出和完 全积分方法的输出形式相同。为保证输出的一致性，在相同单元类型中完全积分 方法的点号。单元输出定义表使用如下标记：在名称列中的冒号（：）表示该项可以用分量名方法ETABLE , ESOL处 理；O列表示该项可用于 Job

17、name.OUT文件；R列表示该项可用于结果文件。 无论O列或R列，Y表示该项总是可用的，一个数字表示表的一个注解 ，其中 说明了使用该项的条件；而减号 -表示该项不可用。表45.1 SOLID45单元的结果输出定义名称定义OREI单元号YYNODES节点-l,J,K,L,M,N,O,PYYMAT材料编号YYV0LU体积YYXC,YC,ZC结果输出位置Y3PRES节点 J,I,L,K 的 P2;JKON 的 P3;KLPO 的P4;LIMP 的 P5;MNOP 的 P6YYTEMP温度T(I) ,T(J),T(K),T(L),T(M),T(N),T(O),T(P)YYFLUEN流量 FL(I)

18、 FL(J) FL(K) FL(L) FL(M) FL(N) FL(O) FL(P)YYS:X,Y, Z,XY ,YZ,XZ应力YYS；1,2,3主应力YYS:INT应力强度YYS:EQV等效MISES应力YYEPEL:X,Y,Z,XY ,YZ,XZ弹性应变YYEPEL:1,2,3主弹性应变Y-EPEL:EQV等效弹性应变YYEPTH:X,Y,Z,XY,YZ,XZ :平均热应变11EPTH:EQV等效热应变11EPPL:X,Y,Z,XY ,YZ,XZ平均塑性应变11EPPL:EQV等效塑性应变11EPCR:X,Y,Z,XY,YZ,XZ 1平均蠕变应变11EPCR:EQV等效蠕变应变11EPSW

19、:平均膨胀应变11NL:EPEQ平均等效塑性应变11NL:SRAT屈服表面上的迹应力和应力之比11NL:SEPL从应力-应变曲线平均等效mises应力11NL:HPRES静水压力1FACE表面lable22AREA表面面积22TEMP表面平均温度22EPEL表面弹性应变(X,Y,XY)22PRESS表面压力22S(X,Y,XY)表面应力(X轴平行于定义该表面的前 面两个结点连接)22S(1,2,3)表面主应力22SINT表面应力强度22SEQV表面等效mises应力22LOCI:X,Y ,Z积分点位置-Y1仅当单元具有非线性材料时，有非线性解输出。2表面输出(如果KEYP0INT(6)是1、2

20、或者4)3用*GET可以获得质心位置的结果.o4等效应变用一个等效泊松比来计算：对于弹性和热问题，这个值由(MP,PRXY) 输入；对于塑性和蠕变问题，这个值取 0.5表45.2 SOLID45综合单元输出描述输出项名o|R非线性积分点结果EPPL, EPEQ, SRAT, SEPL, HPRES, EPCR, EPSW1n积分点应力结果TEMP, S(X, Y, Z, XY, YZ, XZ), SINT, SEQV, EPEL2-结点应力结果TEMP, S(X, Y, Z, XY, YZ, XZ), SINT, SEQV, EPEL3-1.若单元有非线性材料且KEYOPT(6)=3在8个积分

21、点处输出结果2.若KEYOPT(5)=1在每个积分点输出结果。3.若KEYOPT(5)=2在每个结点输出结果。表45.3 SOLID45输出项和序列号列出了可以通过 ETABLE命令，用序 列号方法输出的内容列表。更多信息见 ANSYS基本分析指南中一般后处理 (POST1)部分和本手册中输出项和序列号表部分。在表45.3 SOLID45输 出项和序列号中使用如下标识符：Name与表45.1: SOLID45单元输出定义中相同定义的输出量；Item用于ETABLE命令的预先定义的输出项；E对于单值或常数型单元数据的序列号；I,J, , ,P节点l,J,.,P处数据的序列号；表45.3 SOLI

22、D45 输出项和序列号输出量名 ETABLE和ESOL命令输入ItemIJKLMNOPP1SMISC214 |3I -I -P2SMISC56| - | - |87-P3SMISC-910-|1211-P4SMISC-13 |14 |-1615P5SMISC18 |-| - |仃19-20P6SMISCI - | - | - | - |21222324S:1NMISC1 |6111621263136S:2NMISC27121722273237S:3NMISC38131823283338S:INTNMISC49141924293439S:EQVNMISC510152025303540FLUENN

23、MISC4142434445464748有关适用ETABLE命令的表面结果输出参见本手册的 表面输出部分SOLID45假定和限制体积等于0的单元是不允许的。单元结点编号可参照 图45.1: SOLID45几何描述，面IJKL和MNOP 也可互换。单元不能扭曲，这样单元就会有两个独立的体。这通常发生在当单元 结点编号不当时。所有单元都必须有8个结点。可以通过定义重合的K和L、O和P来形成棱柱形单元(参见三 角形、棱柱形和四面体单元)。四面体形状也是允许的。对四面体单元，额外形状被自动删除。SOLID45产品限制对于以下产品，将在上述一般假设和限制的基础上再增加一定的限制：。ANSYS Profe

24、ssio nal.不允许有DAM材性。不能施加流量体荷载。唯一允许的特殊性能是应力钢化。KEYOPT(6)=环可用。MPC184多点约束单元：刚性杆，刚性梁，滑块，球铰，销轴和万向联轴器MP ME ST PR PP EDMPC184元描述MPC18包括使用拉格朗日乘子法实现运动约束的一类常用的多点约束单元。这 些单元可以简单地分为“约束单元”或“连接单元”。用户可以在一些需要施加 运动约束的场合中使用这些单元。这些约束可以简单到铰链上的具有相同的位移 值，也可以复杂到包括模型的刚性部分，或者在柔性体之间以某一特定方式传递 运动的运动约束。例如，结构中可能包含一些刚性部件或者通过转动或滑块约束

25、连接在一起的运动部件。结构的刚性部分可以使用 MPC184勺刚性杆或刚性梁单元来模拟，运动部分可以使用 MPC184勺滑块，球铰，销轴和万向联轴器单元模 拟。因为这些单元使用拉格朗日乘子法实现， ANSYSE够输出约束反力和力矩。使用的约束类型取决于实际的应用场合。约束单元如果没有其它说明，使用这些单元时，三维单元选项 (KEYOPT(2)= 0)为默认值。 刚性杆礫图 184.1 MPC184 几何MPC18可以用来模拟两个变形体之间的刚性约束，或者在工程模型中模拟传递 力和力矩的刚性部件。这个单元也可以应用在由其它刚性结构热膨胀引起的变形 分析中。如果KEYOPT(1) = 0 (默认值)

26、，单元为刚性杆，有二个节点，每个节点有三个 自由度(仅有平移)。如果 KEYOPT(1) = 1,单元为刚性梁，有二个节点，每个 节点有六个自由度(X，Y，Z三个方向的平移和转动)。该单元适合线性，大转动，大应变非线性情况。滑块设置KEYOPT=3来定义三节点的滑块单元。3维滑块单元（KEYOPT（2） = 0） 每个节点有三个自由度（x , y和z方向平移）。2维滑块单元（KEYOPT（2） = 1）每 个节点有二个自由度（x，y方向平移）。滑块单元的运动约束施加方式：节点K被定义为从节点，该节点的运动轨迹始终 在两个主节点（I和J）的连线上。K节点只允许在I和J节点连线上滑动。球铰设置KE

27、YOPT（1） = 5来定义二节点的球铰。两个节点必须重合。 3维球铰每个节 点有三个自由度（x，y和z方向平移）。2维球铰单元（KEYOPT（2） = 1）每个节点 有二个自由度（x，y方向平移）。球铰单元的运动约束施加方式：组成单元的两个节点平移位移保持一致；不约束 转动自由度（如果存在）。说明也可以使用CE或CP命令指定二个节点具有相同的位移值， 在那种情况下，约束 自由度被删除。然后，对球铰单元而言，约束通过拉格朗日乘子法施加，可以得 到约束反力。使用CE或cp命令施加位移约束通常更有效率，如果可能，尽量使 用CE或CP命令代替MPC184求铰单元。链接单元数值模拟中经常涉及两个零件连

28、接的问题。 这些链接所承受的运动约束可以简单 到两个零件连接处的具有相同的位移值，也可以复杂到模型中两个变形体之间运 动的传递。复杂的链接也可以包括一些控制机构， 如限制器或挡块，两个物体相对运动分量的锁定器。在许多情况下，这些链接还可以包括在两个物体相对运动 的未约束分量之间的刚度，阻尼或摩擦行为特性。销轴链接和万向联轴器广泛应用于汽车， 机器人，生物工程和其它行业。这些链接单元有二个节点。根据链接的不同定义，在二个节点上施加不同的运动约束。约束通过拉格朗日乘子法施加。链接单元在每个节点上有六个自由度， 定义六个相对运动分量：三个相对平移和 三个相对转动。这六个相对运动分量主要用于模拟链接单

29、元运动行为。 对于链接单元，一些分量可能被运动约束限制住了，而另一些分量是“自由的”或者“无 约束的”。万向联轴器和销轴链接单元中，二个节点假设为重合，相对位移为零。 销轴链接单元只有一个相对旋转运动分量-绕着销轴旋转-是没有约束住的， 而万向联轴器有两个旋转分量是自由的。这些单元包括一些控制特性，如挡块，锁定器。一些激励载荷或边界条件也可以 施加到单元的二个节点的相对运动分量上去。 例如，在销轴链接中，可以在销轴旋转方向上设置挡块，限制旋转角度在一个特定范围内。 也可以在二个节点旋转 分量上施加位移或力边界条件模拟链接的驱动特性。驱动力或位移由实际机构一 电动或液压系统一提供。链接单元的未约束相对运动分量上可以施加线性刚度和阻尼特性。 如果需要，可以施加与温度相关的刚度和阻尼特性。除了 ANSY卿已经存在的输出选项，链接单