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       不同單元類型連接，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)一直是個(gè)困擾，筆者在學(xué)習(xí)ANSYS的時(shí)候，也遇到了這個(gè)問(wèn)題。今天開(kāi)始，筆者將對(duì)ANSYS不同單元類型連接開(kāi)設(shè)一個(gè)專題，仔細(xì)和大家說(shuō)說(shuō)不同單元類型，到底該怎么連。

       我們知道，相同自由度的單元（如Beam-Shell）進(jìn)行連接時(shí)，可以直接使用共節(jié)點(diǎn)連接；而不同自由度的單元連接時(shí)，需要建立約束方程。 注意：?jiǎn)卧杂啥鹊漠愅袃蓚€(gè)含義，即單元的自由度個(gè)數(shù)和自由度的物理意義。

       為了給大家進(jìn)行軟件操作演示，筆者隨便瞎編亂造了一個(gè)結(jié)構(gòu)：橫截面為10mm×10mm，長(zhǎng)度為200mm的方形梁，底端開(kāi)了一個(gè)直徑為5mm的孔，模型如下。

       我們知道，細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，我們可以使用Beam單元進(jìn)行分析，可偏偏有好事者在一個(gè)完美的梁結(jié)構(gòu)上開(kāi)了個(gè)孔，這樣直接導(dǎo)致我們無(wú)法對(duì)其整體使用Beam單元了，那這樣的結(jié)構(gòu)我們?cè)撊绾翁幚砟兀刻峁┮韵聝煞N方法：

 方法一：對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)使用Solid單元進(jìn)行分析；

方法二：孔附近使用Solid單元，其余位置使用Beam單元。這樣就引入了不同單元類型連接的問(wèn)題。

       為了比較不同單元類型連接后的精度，筆者建立了兩個(gè)靜力學(xué)項(xiàng)目：一個(gè)是全部使用Solid單元進(jìn)行分析的模型 solid；另一個(gè)是使用Solid單元和Beam單元連接起來(lái)分析的 solid_beam。

打開(kāi)workbench，建立兩個(gè)靜力學(xué)項(xiàng)目，分別命名為“solid”和“solid-shell”，并導(dǎo)入建立的幾何模型。

一、solid-beam計(jì)算。

Step1：雙擊“solid-shell”項(xiàng)目的B3 Geometry，打開(kāi)SCDM模塊。

Step2：在SCDM模塊中，建立一個(gè)基準(zhǔn)面并使用該基準(zhǔn)面切割方形梁。

Step3：在SCDM模塊的Prepare中，使用Extract命令來(lái)抽取較長(zhǎng)一段的線體模型。

Step4：回到Workbench中，雙擊B4 Model，進(jìn)入Mechanical。

Step5：點(diǎn)擊模型樹(shù)中的Connections，選擇Body-Body中的Fixed，建立一個(gè)固定副。在Details of ******中，將Reference中的Scope選擇為線體模型的一個(gè)端點(diǎn)；將Mobile中的Scope選擇為實(shí)體模型的一個(gè)端面,并將Behavior設(shè)置為Deformable。

Step6：網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸1mm。

Step7：施加載荷和邊界條件。一端施加-Y方向100N的力，另一端固定。

Step8：后處理設(shè)置。

       點(diǎn)擊solution（B6），將Post Processing中的Beam Section Results設(shè)置為Yes，這樣就可以輸出梁?jiǎn)卧慕孛娼Y(jié)果（如Mises應(yīng)力等）了。

Step9：求解。

Step10：后處理。

提取計(jì)算結(jié)果文件中的整體變形、整體應(yīng)力和圓孔面上的應(yīng)力如下。

1.整體變形。提取變形結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：最大變形量為1.616mm，且Solid單元和Beam單元連接位置處的變形是協(xié)調(diào)的。

2.整體應(yīng)力。提取應(yīng)力結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：最大應(yīng)力值為169.02 MPa （應(yīng)力奇異位置，應(yīng)力值失真），且Solid單元和Beam單元連接位置處的應(yīng)力也是協(xié)調(diào)的。

3. 圓孔面上的應(yīng)力。應(yīng)力最大值為125.19MPa（此結(jié)果非精確結(jié)果，如想得到精確結(jié)果需要進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格）。

二、solid計(jì)算。

       為了與solid-beam模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算時(shí)我們使用與solid-beam模型相同的材料模型、單元尺寸和類型、載荷、邊界條件。

       計(jì)算完成后，提取計(jì)算結(jié)果文件中的整體變形、整體應(yīng)力和圓孔面上的應(yīng)力如下。

1.整體變形。提取變形結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：最大變形量為1.616mm。

2.整體應(yīng)力。提取應(yīng)力結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：最大應(yīng)力值為169.02 MPa （應(yīng)力奇異位置，應(yīng)力值失真）。

3. 圓孔面上的應(yīng)力。應(yīng)力最大值為125.09MPa（此結(jié)果非精確結(jié)果，如想得到精確結(jié)果需要進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格）。

通過(guò)對(duì)比兩次計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）全部使用Solid單元進(jìn)行分析和使用Solid單元和Beam單元連接起來(lái)進(jìn)行分析， 計(jì)算結(jié)果幾乎完全一致；

2）使用Solid單元和Beam單元建模和全部使用solid單元進(jìn)行建模相比，節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大減少， 顯著 降低了計(jì)算量。

三、連接原理。

       在Workbench中，我們很容易就建立了solid-beam的連接，那么，軟件究竟是根據(jù)什么原理建立的呢？我們?nèi)NSYS經(jīng)典中一探究竟。

       通過(guò)查看單元類型我們發(fā)現(xiàn)，ANSYS生成了計(jì)算用的5種單元類型。而我們沒(méi)有定義接觸，怎么會(huì)有接觸單元174和目標(biāo)單元170呢？

       通過(guò)查看接觸向?qū)覀儼l(fā)現(xiàn)，ANSYS生成了一個(gè) 單點(diǎn)控制接觸，控制節(jié)點(diǎn)為173184。看到這我們就大概明白了，在梁模型和實(shí)體模型接觸的位置，軟件建立了一個(gè)170點(diǎn)目標(biāo)單元，在實(shí)體模型的端面上，軟件建立了174單元。使用170單元的173184節(jié)點(diǎn)控制174單元上的節(jié)點(diǎn)。

       那么端面上的實(shí)體單元又是怎么和梁?jiǎn)卧B接的呢？我們發(fā)現(xiàn)，還有一個(gè) MPC184單元沒(méi)派上用場(chǎng)。我們單獨(dú)顯示MPC184單元，發(fā)現(xiàn)它連接了173183和173184節(jié)點(diǎn)，173184就是我們剛才提到的控制節(jié)點(diǎn)，而173183為軟件在梁模型的端點(diǎn)上建立的170單元上的節(jié)點(diǎn)。

至此，本文完結(jié)。

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