表面效应单元系列教程之Surf154

        前一篇文章介绍了表面效应单元家族的153单元，今天来谈谈154单元。Surf154称之为3D结构表面效应单元，主要用于施加各种荷载和表面效应，可覆盖在3D单元面积表面，例如Solid单元和Shell单元，通过esurf命令创建。

        单元形状如下所示：

        
        该单元可通过4~8个节点定义，对于三角形的单元形状，可通过合并节点实现，建立单元时，该单元的I、J节点默认与单元坐标系的X轴平行。

        该单元也可以考虑单元厚度，通过定义材料的密度来考虑单元的重量，也可以考虑附加质量得作用，附加质量通过实常数定义。

        该单元的荷载方向编号如下所示：

        采用该单元进行加载得时候，选择合适的坐标系非常重要。单元坐标系的选择通过Keyopt(2)进行设置。

        不管是采用单元坐标系还是局部坐标系，单元主要荷载方向为1、2、3，分别沿着当前坐标系的Z、X以及Y方向。

        至于4号、5号荷载方向则同Surf153的3号、4号荷载方向类似，一般情况下很少采用4号荷载方向，5号荷载方向则是用于施加斜向荷载，方向通过单元向量决定。

        下面以几个简单的例子来说明利用该单元的使用。（部分例子来源于ANSYS结构单元分析与应用）

        例题一：直角坐标系下的施加，施加如图所示Q1、Q2、Q3、Q4荷载

命令流如下：

finish
/clear
/prep7
l=800
b=100
h=200
q1=3
q2=2
q3=6
q4=0.5
ref=40*acos(-1)/180 !Q1的角度
et,1,solid95
et,2,surf154
keyopt,2,11,2
mp,ex,1,2.1e5
mp,prxy,1,0.3
blc4,,,l,h,b
vatt,1,,1
esize,25
vmesh,all
nsel,s,loc,x,0
d,all,all
nsel,s,loc,y,h
type,2
esurf
nsel,s,loc,x,l
esurf
allsel,all
!施加顶面的各种荷载
nsel,s,loc,y,h
esln,s,1
sfe,all,2,pres,,-q3
sfe,all,3,pres,,-q2
sfe,all,5,pres,,q1,-cos(ref),-sin(ref),0
!施加端面的切向荷载
nsel,s,loc,x,l
esln,s,1
sfe,all,2,pres,,-q4
allsel,all

         例题二：切向荷载施加，对某圆柱体施加如下所示的切向荷载

           该例子在使用表面效应单元时，要注意转换坐标系，新建一局部坐标系，且该局部坐标系为极坐标系，将单元坐标系旋转到局部坐标系下， 也可以设置Keyopt(2)=1,根据局部坐标系来施加，施加荷载的方向为Y方向，也即是2号荷载方向。命令流如下：

finish

/clear

/prep7

l=400

r=50

et,1,solid95

et,2,surf154

mp,ex,1,2.1e5

mp,prxy,1,0.0

cyl4,,,r,,,,l

wprota,,90

vsbw,all

wprota,,,90

vsbw,all

vatt,1,,1

esize,15

vmesh,all

nsel,s,loc,z,0

d,all,all

csys,1

nsel,s,loc,x,r

local,11,1  !定义局部柱坐标系

esys,11     !将单元坐标系指定在局部坐标系

type,2

esurf

esel,s,type,,2

sfe,all,2,pres,,10

    例题三：某网壳均布荷载的施加。

       在某种情况下，需要按照投影面积来施加荷载，一个很典型的例子便是坡屋顶时，均布荷载的施加。例如，如下的网壳结构，我们在计算时需要将屋面均布荷载2KN/m^2等效为节点荷载，由于整个网壳结构采用杆梁系单元计算，因此均布荷载的施加可以通过表面效应单元Surf154来实现，通过约束所有节点自由度，计算结构在均布荷载作用下的支座反力，从而实现等效节点荷载的计算。

该过程部分命令流如下：

/prep7

!定义表面效应单元

local,11,0,0,0,0

ET,3,SURF154,,1,,1        

!定义面单元surf154 ，局部坐标系，无中间节点

R,3,,,,,,,0.1,0.1,0.1              !定义实常熟

MP,DENS,3,0                   !定义材料密度

TYPE,3                        !设置单元类型

MAT,3                        !设置材料属性

REAL,3                        !设置实常熟

esys,11

…….

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!创建单元

!===============

!均布荷载施加

P=2000

allsel,all

SFE,all,3,PRES,, P

!===============

计算完后，获取节点反力，便是等效节点荷载，将节点荷载施加到相应节点上，并同时删掉表面效应单元，进行下一步的计算。