第二章单元格27(5)

方向变化规律：温度是关于厚度的二次函数（Quadratic），这是ANSYS的默认选项，对于该选项，用户可以最多沿壳单元厚度方向设置15层，该选项适用于瞬态热分析或温度与材料具有很强的相关性问题；温度是关于厚度的线性函数（Linear），对于该选项，用户可以最多沿壳单元厚度方向设置21层，该选项适用于稳态分析或温度与材料没有相关性；沿着厚度没有温度变化，即温度在厚度方向为常数（No variation）,对于该选项， 用户可以最多沿壳单元厚度方向设置1层。 （3） K4关键字。

K4关键字用来设置SHELL131厚度方向的层数，建议用户保持默认值，然后在壳单元截面工具中进行设置。在设置过程中要保证层数小于或等于K3关键字中相应的设置。 （4） K6关键字

K6关键字用来设置单元的应用范围。ANSYS提供2种选项：热壳体问题（Thermal Shell），这是ANSYS的默认选项；涂层材料（Paint（TBOT-TEMP）），如果用户选择该选项，则TBOT取代温度TEMP，并且允许单元直接附着到与壳体单元相关联的实体单元上避免使用约束方程，但该选项不允许用户在面1上施加载荷。 9. SHELL132

SHELL132单元是一个二维复合层状壳单元，具有模拟壳体厚度方向上的热传导功能。SHELL132单元为SHELL131单元的高阶形式。如图2-41所示，SHELL132单元具有8个节点，每个节点最多支持32个温度自由度，该单元适合模拟具有曲线边界的问题。

图2-41 SHELL132单元几何图

SHELL132的单元关键字的设置方法与含义，与SHELL 131单元是一样的，用户可以参见SHELL 131单元。

2.2.3 梁单元

在ANSYS14.0中，梁单元只有BEAM 188和BEAM 189，通过修改其单元关键字，就可以实现ANSYS14.0之前版本中各种梁单元的功能。BEAM188和BEAM 189单元的基本理论是一样的，唯一区别是188为2个节点单元，BEAM 189为3个节点单元，所以本节以BEAM 188为例讲解梁单元的相关理论和设置。

BEAM188单元是一个三维梁单元，适合于分析从细长到中等粗/短的梁结构，该单元基于铁摩辛柯梁理论，并考虑了剪切变形的影响。BEAM 188单元为无约束横截面翘曲和有约束

横截面翘曲提供了单元选项。

如图2-42所示，BEAM 188是2个节点单元可以采用线性，二次和三次形函数插值，在每个节点处有6个或7个自由度，自由度的个数取决于K1的值。BEAM 188单元非常适合线性、大转动和大应变非线性分析。在大变形分析中，BEAM 188单元默认激活应力刚化。应力刚化使BEAM 188单元能够分析弯曲、横向及扭转稳定问题。BEAM 1188单元支持弹性、塑性、蠕变和其他非线性材料模型。

图2-42 BEAM188单元几何图

图2-43所示为“DEAM188 element type options（DEAM188单元关键字设置）”对话框。DEAM188单元包括 K1、K2、K3、K4、K6、K7、K9、K11、K12和K15关键字。

图2-43 “DEAM188单元关键字设置”对话框

（1）K1关键字

K1关键字用来设置是否考虑翅曲自由度。ANSYS提供了两种设置：不考虑翘曲自由度（Unrestrained），这是ANSYS的默认选择，此时BEAM188单元每个节点具有6个自由度； 考虑翘曲自由度（Restrained），用户选择该选项后，BEAM188单元每个节点具有7个自由度，其中第7个自由度为翘曲自由度，可以用来约束翘曲，并且会输出双力矩和双曲线。 （2）K2关键字

K2关键字用来设置单元横截面缩放比例，该关键字只有激活大变形才有效。ANSYS提供了两种选择：横截面与轴线伸长成比例函数关系（Func ofstretch），这是ANSYS的默认选项；横截面为刚性没有变形（Rigid(classic)），这是经典梁理论。 （3）K3关键字

K3关键字用来设置单元沿长度方向的型函数。ANSYS提供了3种选项：线性型函数 （Linear Form），这是ANSYS的默认选项；二次型函数（Quadratic Form），该选项使用中间节点来提高单元的精度，能够精确地计算线性变化的弯矩，但用户不能在中间节点上施加载荷；三次型函数（Cubic Form），该选项使用两个内部节点，并且采用三次型函数，能够精确地计算弯矩的二次变化规律，但用户不能在中间节点上施加载荷。建议用户在下列情况下使用二次或三次型函数选项：单元与渐变型横截面相关联；单元上存在非均匀载荷，此时三次型函数选项能够提供更准确的解答；单元经历了非均匀的变形。 （4）K4关键字

K4关键字用来定义剪切应力输出选项。ANSYS提供了3种选项：仅输出扭转相关的剪切应力（Torsional only），这是ANSYS的默认选项；仅输出挠曲相关的横向剪应力（Transverse）；输出前两种类型的组合状态（Include Both）。 K6、 K7和K9关键字仅在输出控制中激活输出单元结果，才能使用。 （5）K6关键字

K6关键字用来控制输出的截面力、力矩、应变和曲率。ANSYS提供了4种选项：在沿着长度方向上的积分点输出截面力、力矩、应变和曲率（At intgr point），这是ANSYS的默认选项；与K6=0相同，加上当前的截面单元（+Current Area）；与K6=1 相同，加上单元基本方向（X、Y、Z） （+Basis vectors）； 输出截面力、弯距和应力、曲率， 外推到单元节点（At element nodes）。 （6）K7关键字

K7关键字用来控制积分点输出，当截面类型为ASEC时，该关键字不可用。ANSYS提供了3种选项：不输出（NONE），这是ANSYS的默认选项；输出积分点的最大和最小应力/应变（Max and Min only）；与K7=1设置相同，并且也输出每个截面点上的应力和应变（All Section）。 （7）K9关键字

K9单元关键字用来控制截面节点和单元的外推值，当截面类型为ASEC时，该关键字不可用。ANSYS提供了4种选项：不输出（NONE），这是ANSYS的默认选项；最大和最小应力/应变（Max and Min only）；输出最大和最小应力/应变，同时也输出沿截面的外边界上的应力和应变（Ext Bondary nodes）；输出最大和最小应力/应变，同时也输出截面节点上的应力和应变（All Section nodes）。 （8）K11关键字

K11关键字用来设置截面属性。ANSYS提供了2种选项：如果用户使用了预积分截面属性， 则程序自动确定（Automatic），这是ANSYS的默认选项；使用横截面数值积分（Numerical）。 （9）K12关键字

K12关键字用来设置渐变截面梁。ANSYS提供了两种选项：线性变化的渐变型截面分析；截面属性在每个积分点计算，这种方法更加精确，但是计算量大（Liner），这也是ANSYS的默认选项；平均截面分析（Constant），对于渐变型截面单元，截面属性仅仅在中点计算，这

是划分网格的阶数的估计，但是速度快。 （10）K15关键字

K15关键字用来设置结果文件格式。ANSYS提供了2种选项：存储每个截面角节点上的平均结果（Avg( corner nds)），这是ANSYS的默认选项；存储每个截面角节点上的非平均结果（No avg(int pts)），该选项需存储的数据量较高，建议用户在进行多种材料构成的截面模型中使用。

2.2.4 弹簧单元

1. COMBIN14

COMBIN14单元具有分析一维、二维或三维模型的轴向拉伸或扭转的功能。轴向的弹簧-阻尼器选项是一维的拉伸或压缩单元，它的每个节点具有3个自由度：X、Y、Z的轴向移动，它不能考虑弯曲或扭转。扭转的弹簧-阻尼器选项是一个纯扭转单元，它的每个节点具有3个自由度：X、Y、Z的旋转，它不能考虑弯曲或轴向力。

弹簧-阻尼器没有质量。质量可以通过其他合适的质量单元添加。二维单元必须位于Z 为常数的X-Y平面中。

如图2-44所示，COMBIN14由两个节点组成。阻尼特性不能用于静力或无阻尼的模态分析中。单元的阻尼部分只是把阻尼系数传递到结构阻尼矩阵中。阻尼力F或扭矩T由下式计算：

Fx??CVduxdt （2-10） T???CVd?dt （2-11）

式中，CV为阻尼系数，有CV?CV1?CV2确定。

V是上一子步计算得到的速度；第二个阻尼系数CV2用于某些液体环境下产生的非线性阻尼情况。

图2-44 COMBIN14单元几何图

图2-45所示为“COMBIN14 element type options（COMBIN14单元关键字设置）”对话框。COMBIN14单元包括 K1、K2和K3关键字。

图2-45 “COMBIN14单元关键字设置”对话框

（1）K1关键字

K1关键字用来设置求解类型。ANSYS提供2种选项：线性求解（Linear Solution），这是ANSYS的默认选项；非线性求解（Nonlinear），用户如果选择该选项，则需要输入实常数。 （2）K2关键字

K2关键字用来设置一维模型的自由度。ANSYS提供了9种选项： 使用K3关键字的设置（Use 2/2D DOF opt），这是ANSYS的默认选项；只考虑UX方向的自由度的一维轴向弹簧-阻尼器（Longitude UX DOF）；只考虑UY方向的自由度的一维轴向弹簧-阻尼器（Longitude UX DOF）；只考虑UZ方向的自由度的一维轴向弹簧-阻尼器（Longitude UZ DOF）；只考虑化ROTX方向的自由度的一维扭转弹簧-阻尼器（Torsional ROTX）；只考虑ROTY方向的自由度的一维扭转弹簧-阻尼器（Torsional ROTY）；只考虑ROTZ方向的自由度的一维扭转弹簧-阻尼器（Torsional ROTZ）；压力自由度（Pressure DOF）；温度自由度（Temperature）。 K2关键字的设置会覆盖K3关键字的设置。 （3）K3关键字

K3关键字用来设置二维和三维模型的自由度。ANSYS提供了3种选项：三维轴向弹簧-阻尼器（3-D longitudinal），这是ANSYS的默认选项；三维扭转弹簧-阻尼器（3-D torsinal）； 二维轴向弹簧-阻尼器（二维单元必须位于X-Y面内）（2-D longitudinal）。

图2-46所示为“Real Constant Set Number 1， for COMBIN14（COMBIN14单元实常数输入）”对话框，该对话框中可输入5个实常数，分别是弹簧刚度常数（Spring constant）；阻尼系数（Damping coefficient）、非线性阻尼系数（Nonlinear damping coeff），如果用户需要使用该实常数，则必须设置K1关键字为非线性求解（Nonlinear）；初始长度（Initial Length）；初始力（Initial Force），在三维扭转分析中表示扭矩。

弹簧的预载荷可以通过以下两种方式进行设置：用户可以使用初始长度或初始力，但仅有二维和二维模型支持该方法。如果初始长度与通过节点坐标系输入的长度存在差别，则程序认为存储弹簧预载荷。如果用户输入了初始力，则负值表示弹簧初始为压缩状态，正值表示弹出初始为拉伸状态。

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