实体单元施加扭矩常见方法介绍

         很多同学在采用实体单元进行模拟时，需要施加扭矩，然而实体单元节点只有平动自由度，因而不能类似梁单元那般直接施加扭矩，今日水哥就ANSYS中常见的实体单元施加扭矩方法做一个简单的总结，希望对部分同学能有所裨益！

        实体单元施加扭矩的方法常见思路有两种：

        一、扭矩实质是矩，是力和力臂的乘积，因而如果要施加扭矩，可以考虑将扭矩折算为力和力臂，直接在相应部分施加力即可。

        二、实体单元之所以不能直接在节点上施加力矩，说白了就是节点无转动自由度，因而只要我们引入了具有转动自由度的节点，在进行一定的耦合操作，就可以实现扭矩的输入。

        第一种思路很简单，水哥这里就不详细阐明。这里重点说说第二种思路。

        引入转动自由度在进行一定的耦合，常见的方法有两种，一种是cerig刚性区域法，另外一种是mpc184刚性梁法。其实还有一种方法，rbe3，但这种方法较为复杂，这儿不做推荐。

        一、cerig刚性区域法

        cerig 这个命令其实就是建立一定的刚性区域，然后将荷载施加在跟这个刚性区域相连的主节点(master node)上。而具有转动自由度的节点，我们经常引入质量单元mass21,赋值时候对质量单元赋予很小的质量即可。

       该方法本质上是建立了约束方程，但需要特别注意的是约束方程是线性的，因而该方法只使用于线性问题，对于大变形等非线性问题，该方法并不适用。

       二、MPC184刚性梁法

      刚性梁相信大家并不陌生，其主要引入的单元便是ANSYS中最为特殊的单元MPC184，通过设置单元实常数，使其该单元成为刚性梁，在具体使用过程中，需要在构件中心部分建立一个节点，跟其他受力节点分别形成多根刚性梁，从而形成刚性面，最后直接在构件中心节点施加荷载，通过刚性梁来传递荷载。

     该方法适用范围相对刚性区域法来讲更广，对于大应变分析也能很好的使用。

     下面以一个简单的例子来简单演示两种方法的具体使用过程。

      题目：某长方体块，材料为钢材，截面尺寸为10mmX10mmX30mm,一端固定，另一端承受 1 N.m的扭矩，采用上述两种方法求解该模型。

一、cerig刚性区域法

finish

/clear

/prep7

et,1,solid186

et,2,mass21

r,2,1e-6

mp,ex,1,2.0e5

mp,prxy,1,0.3

mp,dens,1,7850e-12

blc4,,,10,10,30

esize,2

vmesh,all

!=========

*get,nodemax,node,0,num,maxd

n,nodemax+1,5,5,35

type,2

real,2

e,nodemax+1

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

!建立刚性区域

nsel,s,loc,z,30

nsel,a,,,nodemax+1

cerig,nodemax+1,all,all

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

f,nodemax+1,mz,1e3

nsel,s,loc,z,0

d,all,all,0

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

/solu

allsel,all

solve

二、MPC184刚性梁法

finish

/clear

/prep7

et,1,solid186

et,2,mpc184

keyopt,2,1,1

mp,ex,1,2.0e5

mp,prxy,1,0.3

mp,dens,1,7850e-12

blc4,,,10,10,30

esize,2

vmesh,all

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

*get,nodemax,node,0,num,maxd

n,nodemax+1,5,5,35

nsel,s,loc,z,30

*get,node1,node,0,num,max

*get,node2,node,0,num,min

num1=node1-node2

type,2

e,nodemax+1,node2

*do,i,1,num1

e,nodemax+1,node2+i

*enddo

!=======

/solu

allsel,all

f,nodemax+1,mz,1e3

nsel,s,loc,z,0

d,all,all,0

allsel,all

solve

两者模型对比情况如下：

 刚性区域模型

刚性梁模型

刚性区域位移云图

刚性梁位移云图

刚性区域von mise应力云图

刚性梁von mise应力云图

对比上图可见，两者结果一致。