ANSYS与结构分析

此类单元以3D梁元为基础，包括了对称性和标准管几何尺寸的简化特性。该类单元有直管、T形管、弯管和沉管四种单元类型，详细特性如表1-6所示。

管单元特性 表1-6 单元名称 PIPE16 PIPE17 PIPE18 PIPE20 PIPE59 PIPE60 简称 3D弹性直管元 3D弹性T形管元 3D弹性弯管元 3D塑性直管元 3D弹性沉管元 3D塑性弯管元 节点数 2 2~4 2+1 2 2 特性 EDGB EDGB EDB EPCSDGB EDGB 同PIPE16 可模拟海洋波，可考虑水动力和浮力等，其余同PIPE16，且可模拟电缆 同PIPE18 备注 可考虑两种温度梯度及内部和外部压力 可考虑绝热、内部流体、腐蚀及应力强化 2+1 EPCSDB 单元使用应注意的其他问题： （1）管单元长度、直径及壁厚均不能为零；

（2）可计算薄壁管和厚壁管，但某些应力的计算基于薄壁管理论；

（3）管单元计入了剪切变形的影响，并可考虑应力增强系数和挠曲系数。 1.2.4 2D实体单元

2D实体单元是一类平面单元，可用于平面应力、平面应变和轴对称问题的分析，此类单元均位于XY平面内，且轴对称分析时Y轴为对称轴。单元由不同的节点组成，但每个节点的自由度均为2个（谐结构实体单元除外），即Ux和

UY。各种单元的具体特性如表1-7所示

2D实体单元特性 单元名简称 节点自特性 称 由度 PLANE2 PLANE42 PLANE82 PLANE145 PLANE146 PLAN

表1-7 备注 适应于不规则的网格 具有协调和非协调元选项 是PLANE42的高阶单元，混合分网的结果精度高，适应于模拟曲线边界 支持2~8阶多项式 支持2~8阶多项式 6节点三角形单元 4节点四边形单元 8节点四边形单元 8节点四边形P单元 6节点三角形P单元 4节点四边形 EPCSD FGBA UX,UY E 具有更多的非线性材9

E182 PLANE183 PLANE25 PLANE83 单元 8节点四边形单元 4节点谐结构单元 8节点谐结构单元 EPCSD FGBA EGB 料模型 是PLANE182的高阶单元 模拟非对称荷载的轴对称结构 是PLANE25的高阶单元 UX,UY,UZ 单元使用应注意的其他问题： （1）单元插值函数及说明：PLANE2的插值函数取完全的二次多项式，是协调元。PLANE42采用双线性位移模式，是协调元。当考虑内部无节点的位移项（即附加项）插值函数时则为非协调元；当退化时自动删除形函数的附加项变为常应变三角形单元。PLANE82是PLANE42的高阶单元，采用三次插值函数，当退化时与PLANE2相同。PLANE182与PLANE42具有相同的插值函数，但无附加位移函数项，也可退化为3节点三角形。PLANE183是PLANE182的高阶单元，与PLANE82的插值函数相同，也可退化为6节点三角形。P单元的差值函数为2~8次，其中，PLANE145是8节点四边形单元，而PLANE146是6节点的三角形单元。

（2）荷载特性：大多支持单元边界的分布荷载及节点荷载，但P单元的节点荷载只能施加在角节点。可考虑温度荷载，支持初应力文件等。特别地，对平面应力输入单元厚度时，施加的分布荷载不是线荷载（力/长度），而是面荷载（力/面积）。如果不输入单元厚度，则为单位厚度。

（3）其他特点：

①除6节点三角形单元外，其余均可退化为三角形单元；

②除P单元和谐结构单元不支持读入初应力外，其余均支持； ③除4节点单元支持非协调选项外，其余都不支持；

④除4节点单元外，其余单元都适合曲边模型或不规则模型。 1.2.5 3D实体单元

3D实体单元用于模拟三维实体结构，此类单元每个节点均具有三个自由度，即UX,UY,UZ三个平动自由度，各种单元的特性如表1-8所示。

3D实体单元特性 表1-8 单元名称 SOLID45 SOLID46 SOLID64 SOLID65 简称/3D 实体元 分层实体元 各向异体实体元 钢筋混凝土实体元 节点数 8 8 8 特性 EPCSDFGBA EDG EDGBA EPCDFGBA 完全/减缩积分 Y/Y Y/N Y/N 初应力 Y N N 备注 正交各项异性材料 层数达250或更多 各项异性材料 开裂、压碎、应力释放 8 Y/N N 10

SOLID92 SOLID95 SOLID147 SOLID148 SOLID185 SOLID186 SOLID187 SOLID191 四面体实体元 实体单元 砖形实体P元 四面体实体P元 实体单元 实体单元 四面体实体元 分层实体元 10 20 20 10 EPCSDFGBA EPCSDFGBA E E Y/N Y/Y Y/N Y/N Y Y N N 正交各项异性材料 是SOLID45的高阶元 P可设置2~8阶 P可设置2~8阶

可模拟几乎不可压缩的弹塑和完全不可压缩的超弹 层数≦100 8 20 10 20 EPCDFGBA EPCDFGBA EPCDFGBA EGA Y/Y等 Y/Y Y/N Y/N Y Y Y N 单元使用应注意的其他问题： （1）关于SOLID72/73单元：SOLID72是四节点四面体实单元，SOLID73是八节点

六面体实体单元，这两个单元每个节点均具有6个自由度，即UX,UY,UZ，Rotx，Roty，

Rotz。在较高版本中，ANSYS已不再推荐使用，帮助文件中也不再介绍，但命令流仍然可用。其原因为：

①新的求解器PCG和SOLID92/95可以较好的解决原有的求解问题；

②防止不同单元中“误用”转动自由度，如与BEAM或SHELL共同建模时误用转动自由度。

（2）其他特点：

①除8节点单元具有非协调单元选项外，其余均不支持。单元退化时均自动变为协调元。

②除8节点单元外，其余均适合曲边模型或不规则模型。

③除10节点单元不能退化外，其余单元皆可退化为棱柱体或四面体单元，且SOLID95/186又可退化为金字塔（也称宝塔）单元。

（3）SOLID185积分方式可选择完全积分的B方法、减缩积分、增强应变模式和简化的增强应变模式，且SOLID185/186/187单元均具有位移插值模式和混合插值模式（u-P插值），以模拟几乎不可压缩的弹塑材料和完全不可压缩的超弹材料。

1.2.6 壳单元

壳单元可以模拟平板和曲壳一类结构。壳元比梁元和实体元要复杂的多，因此，壳类单元中各种单元的选项很多，如节点与自由度、材料、特性、退化、协调与非协调、完全积分与减缩积分、面内刚度选择、剪切变形、节点偏置等，应详细了解各单元的使用说明。表1-9给出了板壳单元的特点。

板壳单元特性 表

1-9

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_

单元名称 SHELL28 SHELL41 SHELL43 SHELL51 SHELL61 SHELL63 SHELL91 SHELL93 SHELL99 SHELL143 SHELL150 SHELL181 SHELL208 SHELL209 简称/3D 剪切/扭转板 膜壳 塑性大应变壳 轴对称结构壳 轴对称谐波壳 弹性壳 非线性层壳 结构壳 线性层壳 塑性小应变壳 结构壳P元 有限应变壳 有限应变轴对称结构壳 节点数 4 节点自由度 UXYZ或RXYZ 特性 EG 备注 纯剪，无面荷载 4 4 2 2 4 8 8 8 4 8 4 2 3 UXYZ EDGBA EPCDFGBA EPCSDG EG EDGB EPSDFGA EPSDFGBA EDG EPCDGBA E EPCDFGBA 超弹、黏弹、黏塑 有仅拉选项 计入剪切变形 有单元相交角度限制 荷载可不对称 刚度选项，未计入剪切变形 计入剪切变形影响，节点可偏置设置（93除外） UXYZ,RXYZ UXYZ,ROTZ UXYZ,RXYZ 计入剪切变形 计入剪切变形，可为分层结构壳 UXY,ROTZ 注：上表节点自由度栏中UXYZ，表示UX,UY,UZ，RXYZ表示Rotx,Roty,Rotz。

单元使用应注意的其他问题：

（1）通常不计剪切变形的壳元由于薄板壳结构，而计入剪切变形的壳元用于中厚度板壳结构。当计入剪切变形的壳元由于很薄的板壳结构时，会发生“剪切闭锁”（也称剪切自锁死，剪切自锁，Shear locking），在Timoshenko梁中，当梁高远远小于梁长时，也会出现这种现象。为防止出现剪切闭锁，一般采用减缩积分（Reduced integration）或假设剪应变（Assumed shear strains）等方法，这两种方法对于Timoshenko梁效果是一样的，但对于板壳元是不同的。减缩积分比较常用，虽然有可能导致“零能模式”（zero energy mode），但一般是在板壳较厚且单元很少时发生，这在实际情况中出现的较少，且板壳较厚时可选择完全积分。

（2）其他特点

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