一直以来,有不少同学咨询水哥关于ANSYS中杆单元、梁单元、壳单元、实体单元的连接问题。之所以要用到各单元的连接,主要是由于我们在实际项目中,常常需要各种单元组合模拟,例如框架结构计算中的框架柱、框架梁采用梁单元模拟,楼板采用壳单元模拟,如此便会产生各类型单元之间的连接问题。

为解决部分朋友们的疑问,水哥依自己的理解将从以下几个方面系统讲解下ANSYS中杆单元、梁单元、壳单元、实体单元的连接,其中若有不合理之处,还望各位朋友批评指正。

本系列讲解目录如下:

1、单元连接总原则。

2、杆与梁、壳、体单元的连接。

3、梁单元与实体单元铰接。

4、2D梁单元与2D实体单元刚接。

5、3D梁单元与3D实体单元刚接。

6、壳单元与实体单元连接。

7、单元连接综合实例。

本篇推文为该系列文章的首篇,主要说下ANSYS中单元连接总的原则以及简单介绍两个概念。

一般来说,按“杆梁壳体”单元顺序,只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度,则只要有公共节点即可,不需要约束方程,否则需要耦合自由度与约束方程。

例如:

(1)杆与梁、壳、体单元有公共节点即可,不需要约束方程。

(2)梁与壳有公共节点即可,也不需要约束写约束方程;壳梁自由度数目相同,自由度也相同,尽管壳的rotz是虚的自由度,也不妨碍二者之间的关系,这有点类同于梁与杆的关系。

(3)梁与体则要在相同位置建立不同的节点,然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

(4)壳与体则也要相同位置建立不同的节点,然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

从上述也可见,ANSYS无非是通过三种方法来实现单元之间的连接:共用节点、耦合、约束方程。

这里简单介绍下耦合与约束方程的基本概念。

一、耦合

所谓耦合,其实是一种比较特殊的约束方程,只不过为了区别于普通一般的约束方程,方便用户操作,特定提出来的一个概念。他具体指当我们需要迫使两个或多个自由度取得相同值(值未知)时,可以将这类自由耦合在一起。

耦合自由度集包含一个主自由度和一个或多个其它自由度。耦合只将主自由度保存在分析的矩阵方程里,而将耦合集内的其它自由度删除。计算的主自由度值将分配到耦合集内的所有其它自由度中去。

使用耦合需要注意的事项:

1、每个耦合的节点都在节点坐标系下进行耦合操作。通常应当保持节点坐标系的一致性。

2、自由度是在一个集内耦合而不是集之间的耦合。不允许一个自由度出现在多于一个耦合集中。

3、接地的自由度(即由D或共它约束命令指定的自由度值)不能包括在耦合集中。

4、在减缩自由度分析中,如果主自由度要从耦合自由度集中选取,只有主要自由度才能被指定为主自由度。(不能指定耦合集中的删除自由度为主自由度)。

ANSYS中使用耦合的命令:CP\CPINTF

二、约束方程

通过方程二字,其实大家也很好理解,他是定义节点自由度之间的线性关系。前面我们说了耦合其实是一种很简单的约束方程,这儿就可以理解为耦合的节点自由度之间满足广义位移相等的这样一种线性关系。

约束方程常见的三种应用如下:

1、连接不用的网格:例如实体与实体的界面、2D与3D单元的连接、单元面的同一表面但节点位置不重合。

2、连接不相似的单元类型,例如壳与实体、垂直于壳或者实体的梁。

3、建立刚性区域:约束方程的特殊运用,可由程序自动生成。

约束方程ANSYS命令:CE、CERIG

其实关于耦合与约束方程,水哥在一年前的推文中已详细介绍过,有兴趣的朋友可以看看。