ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

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        前面一篇文章主要讲解了杆单元与各类单元连接的基本情况,在很多时候,我们使用梁单元的频率要远远大于杆单元,因而如何处理好梁单元与各类单元的连接是做好仿真模拟的关键。

       梁单元与杆单元不同之处在于节点除了有平动自由度之外,还附加有转动自由度。针对2D梁单元,节点具有Ux、Uy以及Rotz三个自由度;针对3D梁单元,节点具有Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty、Rotz以及WaRp(仅Beam18x系列单元)。

       板壳单元实际上具有五个自由度,分别为Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty,但很多时候引入了第六个面内转动Rotz,但值得注意的是该自由度的含义与梁单元的Rotz含义并不相同。

       2D实体单元节点自由度仅有Ux、Uy,3D实体单元节点自由度包含Ux、Uy、Uz。

       从上面可见,不同单元类型其节点自由度的数目以及含义不一样,因而在处理单元连接时,需根据实际情况分不同种类来确定其连接方法。但就梁单元而言,与各单元类型的连接可分为如下情况:

1)梁单元与壳、实体单元铰接;

2)2D梁单元与2D实体单元刚接;

3)3D梁单元与壳单元刚接;

4)3D梁单元与3D实体单元刚接;

        本篇介绍梁单元与壳、体单元的铰接问题。

        从上面介绍的三种单元节点自由度类型可见,梁单元与体单元节点的平动自由度物理意义相同,因此如果需实现梁单元与实体单元的铰接,两者共用节点即可;也可两者无共用节点,但具有重合节点时,直接耦合节点的平动自由度。

       然壳单元与梁单元的节点自由度除了Rotz有所不同外,其余5个自由度皆具有相同的物理意义,因而当梁单元与壳单元具有公共节点时,可认为是除了Rotz外的一种刚性连接,例如最常见的建筑结构梁板体系的模拟。故如果要实现梁单元与壳单元的铰接,必须通过节点耦合方法,具体方法为在同一位置处建立两种单元各自的节点,然后耦合平动自由度。

        简单小案例:

        如下所示结构模型,左端平板采用壳单元模拟,右边部分采用同截面的梁单元模拟,材料选用混凝土C30,平板尺寸为1000×1000,厚度200,梁单元截面尺寸为1000×200,长度5000,平板与梁相交部分采用铰接处理,两端固结,平板上承受 1MPa的均布荷载。

ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

打开后的单元形状如下:

ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

命令流如下:

finish

/clear

/prep7

et,1,shell181

et,2,beam188

keyopt,2,3,3  !形函数设置

mp,ex,1,3.0e4

mp,prxy,1,0.2

mp,dens,1,2500e-12

sectype,1,shell

secdata,200

sectype,2,beam,rect

secdata,1000,200

blc4,,,1000,1000

wpoffs,,500

wprota,,90

asbw,all

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

!在相交部位同位置处创建一个关键点,以用于后续耦合

k,10,5000,500

k,11,1000,500

l,11,10

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

esize,50

lsel,s,,,2

latt,1,,2,,,,2

lmesh,all

allsel,all

amesh,all

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

!相交部位耦合,其中1号节点是梁单元节点,103号节点是壳单元节点

cp,next,ux,1,103

cp,next,uy,1,103

cp,next,uz,1,103

ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

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

/solu

lsel,s,loc,x,0

dl,all,all,all

ksel,s,loc,x,5000

dk,all,all,all

sfa,all,1,pres,-1

allsel,all

solve

 

变形云图为:

ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

为检验连接效果,梁单元弯矩图如下:

ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

由弯矩图可见,在连接处弯矩为0,说明连接方式为铰接。

为更好对比结果,现在壳单元与梁单元处共用节点,结果云图如下:

ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

ANSYS各类型单元连接专题讲解(三)之梁与壳体铰接

 

祝好

ANSYS结构院

2018.04.17

 

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