基于ANSYS经典界面的实体-板单元连接建模

【问题描述】

梁的尺寸如图所示，在梁的2000*300表面上作用有大小为1MPa的压力，两端是直径为150mm的圆柱面为支撑表面，要分析其应力和变形情况。

【问题分析】

（1）该结构左右对称，只取一半分析。

（2）中间空心部分使用壳单元，边上实心部分使用实体单元。

（3）上述两种单元需要建立连接关系。实心单元每个节点有3个自由度，而壳单元每个节点有6个自由度，如何建立连接关系呢？ANSYS提供了SHSD命令来建立这种连接。要使用该命令，首先需要创建接触对，并且要对目标-接触单元的关键字进行设置。下面的绝大多数操作都是围绕该命令进行的。

【求解步骤】

1.前处理

1.1 创建单元

/PREP7
ET,1,SOLID187
ET,2,SHELL181
ET,3,TARGE170
KEYOPT,3,5,1
ET,4,CONTA175
KEYOPT,4,2,2
KEYOPT,4,12,5

上述命令分别定义了4种单元。

第1种是实体单元，第2种是壳单元，他们分别用于建模上述梁的实体部分和空心部分。

第3-4种则是用于模拟接触部分，就是实体与空心的接触部分。

这里对于这两种单元均设置了关键字，这些关键字的设置是使用后面的命令“SHSD”所必须的。

1.2 创建实常数

R,1,0.02
R,2
R,3
R,4
R,5

这里创建了5个实常数。

第1个实常数用于定义空心梁的厚度

第2-5个实常数分别用于定义4个接触对。

1.2 创建材料类型

MP,EX,1,2e11
MP,PRXY,1,0.3

上述命令定义了材料的弹性模量和泊松比。

1.3 创建中间的空心梁

/VIEW,1,1,1
BLOCK,-0.14,0.14,-0.14,0.14,0,0.98
VDELE,1,,,0
ADELE,1,2,1,1

上述命令首先创建了一个长方体，

然后删除了体本身，留下构成长方体的面，线和关键点。

最后又删除了两端的面。

结果如下图。

1.4 创建空心梁与实心梁的连接部分

BLOCK,-0.15,0.15,-0.15,0.15,0.98,1

上述命令创建了实心梁和空心梁的联接部分，是一块实心板。

1.5 创建左边的实心梁
K,20,0,0,0.98
K,21,0,0.1,0.98
K,22,0,0.1,1
K,23,0,0.075,1
K,24,0,0.075,1.3
K,25,0,0,1.3

上述命令创建了左边实心梁截面上的关键点。

LSEL,NONE
L,20,21
L,21,22
L,22,23
L,23,24
L,24,25
L,25,20
LFILLT,27,28,0.025

然后将关键点连接成线。

AL,ALL
VROTAT,11,,,,,,20,25

接着将线围成面，再选择该面形成体。

ALLS

VOVLAP,ALL

接着选择前面的两个体，将它们交叠在一起。此时左边的两个实体已经连接好。

1.6 划分网格

AATT,1,1,2
ESIZE,0.02
MSHAPE,0
MESHKEY,1
AMESH,3,6,1

上述命令对中间空心梁划分网格。

VATT,1,1,1
ESIZE,0.0175
SMARTSIZE,5
MSHAPE,1
MSHKEY,0
VMESH,ALL
ALLS

上述命令对左边实心部分划分网格。

1.7 创建第1个接触

ASEL,S,,,47
NSLA,S,1
TYPE,3
REAL,2
ESURF
ALLS

LSEL,S,,,5
NSLL,S,1
TYPE,4
REAL,2
ESURF
ALLS

上述命令首先选择了空心梁与实心部分交接的那个面如下图

然后选择了空心梁与上述面连接处的底边线

在二者之间建立接触，并在此处创建了目标-接触单元

下面的1.8-1.10依次在空心梁的左端面的另外三根线与上述实心梁的交界面创建接触对。

1.8 创建第2个接触

ASEL,S,,,47
NSLA,S,1
TYPE,3
REAL,3
ESURF
ALLS

LSEL,S,,,6
NSLL,S,1
TYPE,4
REAL,3
ESURF
ALLS

上述命令在此线和上述面之间建立接触对

创建的接触对如下

1.9 创建第3个接触

ASEL,S,,,47
NSLA,S,1
TYPE,3
REAL,4
ESURF
ALLS

LSEL,S,,,7
NSLL,S,1
TYPE,4
REAL,4
ESURF
ALLS

上述命令在此线和上述面之间建立接触对

创建的接触对如下

1.10 创建第4个接触

ASEL,S,,,47
NSLA,S,1
TYPE,3
REAL,5
ESURF
ALLS

LSEL,S,,,8
NSLL,S,1
TYPE,4
REAL,5
ESURF
ALLS

上述命令在此线和上述面之间建立接触对

创建的接触对如下

1.11 生成附加的虚拟壳单元

SHSD,2,CREATE

该命令是关键命令，它用于创建壳-实体装配中的壳-实体接口。

其含义是对于2号实常数所定义的接触对，创建其壳-实体接口。

2号实常数所定义的接触对，就是下图所示的接触对

运行上述命令后，ANSYS在接触线处创建了虚拟的壳单元

并在虚拟单元的每个节点处（如果此处没有没有接触单元的话）创建了新的接触单元。

通过这种方式，在实体和壳单元之间建立了关系。
SHSD,3,CREATE
SHSD,4,CREATE
SHSD,5,CREATE

FINISH

上述命令依次在其它三处创建这种连接关系，

然后退出前处理。

2.求解

2.1 设置边界条件

/SOLU
ASEL,S,,,21,27,6
ASEL,A,,,15,33,18
NSLA,S,1
D,ALL,ALL
ALLS

上述命令约束了实体圆柱面上所有节点的所有位移。

NSEL,S,LOC,Z,0
D,ALL,UZ
ALLS

上述命令对轴的对称面设置对称面上非零位移约束。

SFA,4,2,PRES,-1E6*3/2.804
SFA,8,1,PRES,-1E6*3/2.804

上述命令给梁的顶面施加均布载荷。

2.2 求解
SOLVE
FINISH

上述命令进行计算。

3.后处理

/POST1
PLNSOL,S,EQV,0,1

上述命令查看等效应力云图

可见，最大应力在结合处，为202MPa.随着此处网格的加密，该应力应该会进一步增加。

来源：宋博士的博客，版权归作者所有。