第二章单元格27(2)

平面应力分析。 5. PLANE 183

PLANE183是一个高阶单元，具有二次位移函数，因此为线应变平面单元。PLANE183单元能够很好地适应不规则模型的网格划分，在断裂力学中使用该单元模拟裂纹尖端的奇异性。如图2-10所示，PLANE183单元有8个节点，每个节点有2个自由度，分别为X和Y方向的平移。PLANE 183单元既可作为平面单元，也可作为轴对称单元。温度可以作为单元节点处的体载荷。压力可以作为单元边界上的面载荷输入，正压力指向单元内部。PLANE183单元支持塑性、超弹、粘弹性、粘塑性/蠕变、弹性、应力刚化、大变形、非线性稳定性、人工重画网格、自动选择单元和单元生死功能。

图2-10 PLANE 183 单元几何图

图2-11所示为“PLANE 183 element type options（PLANE 182单元关键字设置）”对话框。PLANE 183单元包括K 1、 K3和K6关键字，其中K3、 K6与PLANE 182单元关键字设置方法是一致的，因此主要将介绍K1关键字。

图2-11 “PLANE 183单元关键字设置”对话框

K1关键字用来设置PLANE 183单元形状。用户可以选择两种单元形状：8节点四变形（Quadrilateral），这是ANSYS的默认选项，对应的命令为KEYOPT(1)=0； 6节点三角形（Triangle），对应的命令为KEYOPT(1)=1。 6. Solid 185

实体结构Solid 185单元是一个低阶体单元，具有一次位移函数，因此为常应变单元。实体结构Solid 185单元用于构造三维固体结构。如图2-12所示，实体结构Solid 185单元具有8个节点，每个节点有2个沿着X、 Y和Z方向平移的自由度。压力可以作为面载荷加载到图2-12中带圆圈的数字所指的单元面上，正压力指向单元内部。温度可以作为单元体载荷作用在节点上，节点I的温度默认为TUNIF指定的温度，如果其他节点的温度没有指定，程序默

认为与节点I相同的温度。实体结构Solid 185单元自动考虑应力刚化的影响，如果要考虑应力刚化引起的刚度矩阵不对称，则可以使用NROPT, UNSYM命令。实体结构Solid 185单元支持塑性、超弹、粘弹性、粘塑性纟蠕变、弹性、应力刚化、大变形、非线性稳定性、用户重画网格、自动选择单元、单元生死和线性摄动分析功能。

图2-12 Solid 185 单元几何图

图2-13所示为实体结构“Solid 185 element type options（Solid 185单元关键字设置）”对话框。实体结构Solid 185单元包括K2、 K3和K6关键字，其中K6与PLANE 182单元关键字设置方法是一致的，因此主要讲解K2和K3关键字。

图2-13 “Solid 185单元关键字设置”对话框

（1） K2关键字

K2用来设置Solid 185单元技术。用户可以选择4种单元技术：①使用B方法的完全积分（Full Integration）,该选项为ANSYS默认选项；②带沙漏控制的均匀缩减积分算法（Reduced Integration），选择该选项后用户需要在单元实常数中定义沙漏刚度系数（HGSTF），程序默认值为1，如果用户输入0，则程序按照默认值处理；③增强的应变公式（Enhanced Strain）；④简化的增强应变公式（Simple Enhanced Strn）。 （2）K3关键字

K3关键字用来设置Solid 185层状结构。用户可以选择两种层状结构：结构实体（Structural solid），该选项为ANSYS默认选项；层状结构（Layered solid）。 7. Solid 186

实体结构Solid 186单元是一个高阶体单元，具有二次位移函数，因此为线应变等参单元，适合于曲面划分网格。如图2-14所示，实体结构Solid 186单元使用20个节点来定义，每个节点具有2个沿着X、Y和Z方向平移自由度。可以使用该单元模拟三维裂纹尖端应力的奇异

性，还可以使用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。压力作为面载荷加载在图2-14所示的带圆圈的数字所指的单元面上，正压力指向单元内部。温度可作为单元体力作用在节点上。用户可以使用ESYS命令定义材料的方向和应力应变输出的方向，使用RSYS命令来选择输出结果所在的坐标系。对于模拟超弹材料，应力应变只能在全局坐标系下输出。

图2-14 Solid 186 单元几何图

实体结构Solid 186单元自动包括应力刚化的影响，如果用户需要考虑应力刚化引起的刚度矩阵的不对称，则可以使用NROPT和UNSYM命令。该单元支持塑性、超弹、粘弹性、粘塑性/燸变、弹性、应力刚化、大变形、非线性稳定性、自动选择单元、单元生死和线性摄动分析功能。

图2-15所示为实体结构“Solid 186 element type options（Solid 186单元关键字设置）”对话框。实体结构Solid 185单元包括K2、 K3和K6关键字，其中K3和K6与Solid185单元关键字设置方法是一致的，因此主要讲解K2关键字。

图2-15 “Solid 186单元关键字设置”对话框

K2关键字用来设置实体结构Solid186单元技术。用户可以选择两种单元技术：全积分（ Full Integration），该选项为ANSYS默认选项，对应的命令为KEYOPT(2)=0；一致缩减积分（reduced Integration），该选项对应的命令为KEYOPT(2)=1。 8. SHELL 181

SHELL181单元适合对薄的及具有一定厚度的壳体结构进行分析。SHELL181单元使用一次位移插值函数，为低阶单元，具有常应变性能。如图2-16所示，SHELL181单元由4 个节点

组成，每个节点具有6个自由度，分别是X、 Y和Z方向的平动自由度和绕X、 Y、Z轴的转动自由度。如果应用了薄膜选项，则SHELL181单元只有移动自由度。简化为三角形选项只在SHELL181单元作为充填单元进行网格划分时才会用到。

图2-16 SHELL181单元几何图

SHELL181单元非常适用于分析线性的、大转动变形和非线性的大形变。壳体厚度的变化是为了适应非线性分析。在SHELL181单元的应用范围内，完全积分和降阶积分都是适用的。

SHELL181单元还可以应用在多层结构的材料，如复合层压壳体或者夹层结构的建模。在复合壳体的建模过程中，其精确度取决于第一剪切形变理论（通常指明德林——雷斯那壳体理论）。SHELL181单元支持塑性、超弹、粘弹性、粘塑性/蠕变、弹性、应力刚化、大变形、非线性稳定性、自动选择单元、单元生死、定义横截面特性和线性摄动分析功能。

图2-17所示为“SHELL 181 element type options（SHELL181单元关键字设置）”对话框。SHELL181单元包括K1、 K2、 K8和K9关键字。下面将做详细讲解。

图2-17 “SHELL181单元关键字设置”对话框

（1）K1关键字

K1关键字用来设置SHELL181单元刚度。用户可以选择两种单元刚度：完全和薄膜刚度（Bending and membrane），该选项为ANSYS默认选项；只考虑弯曲刚度（Membrane only）。 （2）K2关键字

K2关键字用来设置SHELL181单元积分。用户可以选择两种单元积分：带沙漏控制的缩减积分（Reduced Integration）， 该选项为ANSYS默认选项；不调和方式的完全积分（Full Integration）。当用户使用带沙漏控制的缩减积分选项时，对薄膜和弯曲模式，SHELL181单元

会选用沙漏控制算法。默认情况下，SHELL181单元会为金属和超弹应用问题计算沙漏参数，用户可以使用壳体横截面工具来设定沙漏刚度比例因子。使用缩减积分选项，用户可以通过对比总能量和用沙漏控制得到的人工能量来检测结果的精确性。如果人工能量和总能量的比率小于5%，一般来说结果就是可以接受的。总能量和人工能量同样可以在求解阶段用“OUTPR,VENG”命令监控。

在模拟板弯曲问题时，建议用户使用不调和方式的完全积分选项。该选项含有任何模拟能量机制，即便是模型的网格很粗糙，该选项也可以确保足够的精度。在模拟复合材料时， 也建议用户使用该选项。 （3）K8关键字

K8关键字用来设置SHELL181单元存储复合材料层数据。用户可以选择3种层数据存储方式：存储底层底部数据和顶层顶部数据（Bottom 1st top last）,这是ANSYS的默认选项；存储所有层顶部和底部的数据（All layers）；存储所有层顶部、中部和底部的数据（All layers +Middle），可以应用于多层和单层结构单元。 （4）K9关键字

K9关键字用来设置SHELL181单元用户厚度。用户可以选择两种用户厚度：不使用初始厚度的用户子程序（No UTHICH routine），这是ANSYS的默认选项；从用户子程序中读取初始厚度数据（Use UTHICH routine）。 9. SHELL281

SHELL281单元适合对薄的及具有一定厚度的壳体结构进行分析。SHELL281单元使用二次位移插值函数，为高阶等参单元，具有线应变性能，可以模拟复杂曲面模型。如图2-18所示，SHELL281单元由8个节点组成，每个节点具有6个自由度，分别是X、Y和Z方向的平动自由度和绕X、Y、Z轴的转动自由度。当用户使用只考虑弯曲变形时，SHELL281单元只有3个平动自由度。SHELL281单元非常适用于分析线性的、大转动变形和非线性的大形变。壳体厚度的变化是为了适应非线性分析。SHELL281单元支持塑性、超弹、粘弹性、粘塑性/蠕变、弹性、应力刚化、大变形、非线性稳定性、自动选择单元、单元生死、定义横截面特性和线性摄动分析功能。

图2-18 SHELL281单元几何图

图2-19所示为“SHELL 281 element type options（SHELL281单元关键字设置）”对话框。SHELL81单元包括K1、 K8和K9关键字，其中K8和K9的设置用户可以参见SHELL181。下面只讲解K1关键字。

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