ANSYS shell63单元使用介绍

　本文介绍了ANSYS shell63单元使用相关内容。

　　当一个3D实体结构的厚度不大(相对于长宽尺寸),而且变形是以翘曲为主时(亦即out-of-plane的变形),这种结构称为板壳结构(plates and shells),此时我们可以用板壳元素(shell element)来model这个问题.用shell元素(而不用solid元素)来model板壳结构主要的优点就是节省计算时间,并且增加解答精度.这章首先在第1节介绍SHELL63元素,这是ANSYS的古典板壳元素.注意,虽然SHELL63是2D的几何形状,但是它是布置在3D的空间中,所以板壳结构分析是3D的问题而不是2D的问题.

　　板壳元素的特色是弯曲通常主宰其行为,譬如其应力通常大部份来自于弯曲应力,就如同梁结构一样.事实上,板壳元素和梁结构非常相似,主要的差异在于板壳元素承受双向弯曲,而梁元素只有单向的弯曲.诱导板壳元素的过程也和梁元素非常相似.当一片薄板承受弯曲时,原来是平面的一个断面,弯曲后还是假设维持一个平面,换句话说,剪力变形假设可以忽略的.注意,当你使用实体元素(如SOLID45)时,并没有这种「平面维持平面」的假设。

　　SHELL63:板壳结构元素 SHELL63: Structural Shell Element

　　1 SHELL63元素描述 SHELL63 Element

　　SHELL63称为elastic shell,因为它只支援线性弹性的材料模式;ANSYS另有其他shell元素可以支援更广泛的材料模式 [Sec. 10.4].SHELL63有4个节点(I, J, K, L),每个节点有6个自由度:3个位移(UX, UY, UZ)及3个转角(ROTX, ROTY, ROTZ),所以一个元素共有24个自由度.若K,L两个节点重叠在一起时,它就退化成一个三角形,如Figure 10-1右图所示.I-J-K-L四个节点假设是共平面,若不共平面则以一最接近的平面来「修正」这四个节点.注意,这种「修正」当然会引进一些误差,所以对那种曲率很大的板壳结构而言,必须使用较细的元素.

　　SHELL63的元素座标系统表示在Figure 10-1中,原点是在I节点上,X轴和I-J边可以有一角度差(THETA,可以透过R命令输入),X-Y平面是在I-J-K-L四个节点所定义的平面上,Z轴则由右手规则依I-J-K-L顺序决定.你如果要指定surface force时,你可以参照6个面,其编号如图所示,作用在第1,2面的力称为out-of-plane force,作用在第3,4,5,6面(边)的力称为in-plane force.当你指定压力作用在第1个面时,力量是从下面往上(+Z方向),若是压力作用在第2个面则是由上面往下(-Z方向).

　　注意,SHELL63是解3D结构的元素,PLANE42是解2D结构的元素.使用PLANE42等元素时,不允许有任何的out-of-plane的负载.如果有out-of-plane的负载时,请使用板壳元素.

　　2 SHELL63输入资料

　　Element Name：SHELL63

　　Nodes： I, J, K, L

　　Degrees of Freedom：UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ

　　Real Constants：TK(I), TK(J), TK(K), TK(L), EFS, THETA, RMI, CTOP, CBOT, etc.

　　Material Properties：EX, NUXY, GXY, ALPX, DENS, DAMP, etc.

　　Surface Loads

　　Pressure：face 1, face 2, face 3, face 4, face 5, face 6

　　Body Loads：Temperature -- T(1), T(2), T(3), T(4), T(5), T(6), T(7), T(8)

　　Special Features：Stress stiffening, Large deflection, etc.

　　KEYOPT(1)

　　0 -- Bending and membrane stiffness

　　1 -- Membrane stiffness only

　　2 -- Bending stiffness only

　　KEYOPT(3)：Key for inclusion of extra displacement shapes

　　KEYOPT(5)：Key for element solution

　　etc.

　　Figure 10-2 SHELL63 Input Summary

　　Real Constants SHELL63的输入资料摘要在Figure 10-2中.Real constants看起来好像很复杂,但大部分的情况下你只需输入第一个资料:TK(I),板壳的厚度.必要的话,你可以分别输入四个节点的厚度:TK(I),TK(J),TK(K),TK(L).EFS读成elastic foundation stiffness;当板壳结构置放在弹性基础上时,你可以输入此弹性基础的stiffness(SI单位是N/m).譬如一块混拟土平板结构置放于土壤地面上时,则此地面对于这个平板而言可以视为弹性基础.THETA是刚才提到过,定义元素座标系统X轴的角度.RMI读成ratio of moment of inertia(转动惯动比),是单位断面的转动惯量与TK(I)3/12的比,大部分的时候采用预设值(1.0)即可,可是对于非矩形断面或非均匀的复合材料(譬如三明治板)时,你可以透过这个比值去修订.CTOP, CBOT这是指中性轴(neutral axis)到板壳上表面及到下表面的矩离,预设值是TK(I)/2.最后一个real constant是ADMSUA,读成additional mass per unit area,如果板壳上面有附加的质量(但是没有结构功能),可以在这里输入

　　.注意,ADMSUA只有动力分析或计算惯性力时会用到.

　　Key Options KEYOPT(1)是用来修改劲度(stiffness)的计算方式,当KEYOPT(1) = 1时,忽略所有弯曲变形,只考虑in-plane的变形,所以又称为「薄膜」(membrane)元素.相反的,当KEYOPT(1) = 2时,则忽略所有in-plane变形,只考虑弯曲变形.预设的KEYOPT(1) = 0则两者都计算在内.

　　3 SHELL63输出资料

　　SHELL63应力的输出如Figure 10-3所示.板壳的应力是由弯曲应力(bending stress)和in-plane的应力叠加的结果,其中弯曲应力是沿著厚度方向成线性变化,所以板壳元素的输出应力在沿著厚度方向每一处都不相同,你必须以SHELL命令来指定要输出的应力位置(上层,下层,或中性轴位置,预设是上层,即靠近+Z方向的那一面).此外板壳元素通常也都会输出bending moments.Moments的方向常常会造成混淆,因为不同的教科书有不同的表示方式.以下来介绍ANSYS对于bending moments的表示方式.在某一特定点,ANSYS会输出MX,MY,MXY(SI单位是N-m/m,亦即Moment/Length),其中X或Y是参照元素座标系统,如Figure 10-3所示.所谓的MX是指X面(法线方向在X方向上的面)上的moment,MY是指Y面(法线方向在Y方向上的面)上的moment,而MXY是作用在X面上而向著Y方向(或作用在Y面上而向著X方向)的twisting moment.其他输出资料请参考元素说明 [Ref. 6, Table 63.2. SHELL63 Element Output Definitions].